Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Environmental Science

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

מדידת אוזון טרופוספירי
 
Click here for the English version

מדידת אוזון טרופוספירי

Overview

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 מאוד כסוכן חמצון. האוזון מתרחש הן בסטרטוספירה והן ברמות הטרופוספירה של האטמוספירה. כאשר בסטרטוספירה (הממוקמת כ-10-50 ק"מ מפני כדור הארץ), נוצרות מולקולות אוזון לשכבת האוזון ומסייעות למנוע מקרני UV מזיקות להגיע לפני השטח של כדור הארץ. בגבהים נמוכים יותר של הטרופוספירה (פני השטח - כ-17 ק"מ), האוזון מזיק לבריאות האדם ונחשב למזהם אוויר התורם לערפיח פוטוכימי(איור 1). מולקולות אוזון יכולות לגרום נזק ישירות על ידי פגיעה ברקמת הנשימה כאשר הם נשאפים או בעקיפין על ידי פגיעה ברקמות הצמח(איור 2)ובחומרים רכים יותר, כולל צמיגים על מכוניות.

אוזון טרופוספירי חיצוני נוצר בגובה הקרקע כאשר תחמוצות חנקן (NOx)ותרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) מפליטות רכב חשופות לאור השמש. כתוצאה מכך, חששות בריאותיים על ריכוזי האוזון להסלים בתנאים שטופי שמש או מתי והיכן השימוש ברכב מוגבר.

תגובה: NO2 + VOC + אור שמש → O3 (+ מוצרים אחרים)

אוזון טרופוספירי מקורה נוצר כאשר הפרשות חשמליות מציוד באמצעות מתחים גבוהים(למשל מטהרי אוויר יוניים, מדפסות לייזר, מכונות צילום) מפרקות את הקשרים הכימיים של החמצן האטמוספרי (O2) באוויר המקיף את הציוד:

O2 → 2 O

הרדיקלים החופשיים של חמצן פנימה והסביבת פריקה רקומבין כדי ליצור אוזון (O3).

2 O + 2 O2→ 2 O3

Figure 1
איור 1: פנורמה של גשר שער הזהב

צבע אופייני לערפיח בקליפורניה בבנק הענן ה בז ' מאחורי גשר שער הזהב. הצבע החום נובע מה- NOx בערפיח הפוטוכימי.

Figure 2
איור 2: צמחים שנפגעו מאוזון. השורה העליונה תקינה, השורה התחתונה נחשפה לאוזון.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

אוזון טרופוספירי ניתן לפקח באמצעות תערובת של עמילן, אשלגן יודיד, ומים להתפשט על נייר מסנן. לאחר הייבוש, הנייר, הנקרא נייר שנביין, משנה צבע כאשר האוזון קיים.

השיטה מבוססת על יכולת החמצון של האוזון. אוזון באוויר יהיה לחמצן את אשלגן יודיד על נייר הבדיקה כדי לייצר יוד:

2 קל + O3 + H2O → 2 KOH + O2 + I2

לאחר מכן היוד מגיב עם העמילן, מכתים את הנייר בגוון סגול. עוצמת הצבע תלויה בכמות האוזון הקיימת באוויר. ככל שהצבע כהה יותר, כך אוזון קיים יותר:

אני3-+ עמילן → צבע סגול

ריכוז האוזון נדגם באתרים שונים בעלי סיכון גבוה יותר, כולל חניונים, חניונים, חניונים ופינות של רחובות נסחרים בכבדות. האתרים המקורים כוללים חדרים וחללים עם ציוד הכולל הדפסת דיו, כגון מכונות צילום.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. הכנת נייר שנביין

  1. מניחים 100 מ"ל של מים מזוקקים בכוס 250 מ"ל.
  2. מוסיפים 11/4 כפית קורנפלור.
  3. 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.
  4. מוציאים את הכצר ממקור החום, מוסיפים 1/4 כפית אשלגן יודיד ומערבבים היטב.
  5. מצננים את הפתרון לפני החלה על נייר הסינון.
  6. 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.
  7. יש להניח את הנייר למשך הלילה והרחק מאור השמש, או להניח בטמפרטורה נמוכה (20 מעלות צלזיוס) תנור ייבוש לייבוש.
  8. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. אם התוצאות לא יירשמו באופן מיידי, אטמו את הרצועה במיכל אטום לאחר החשיפה.
  4. כדי לצפות ולתעד תוצאות בדיקה, לרסס את הנייר במים מזוקקים.
  5. שים לב לצבע על-ידי השוואתו לקנה המידה של הצבע שסופק והקלטת מספר שנביין המתאים. חשב את מספר שנביין הממוצע עבור כל אתר.
  6. 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).

Figure 3
איור 3. תרשים מספר שנביין לחות יחסית

האוזון הוא סוג של חמצן בסיסי המתרחש באטמוספירה, והוא מסווג כמזהם אוויר מזיק לבריאות האדם. באמצעות טכניקת שנביין, ניתן לכמת את רמות האוזון באתרים מעניינים. מולקולות האוזון מורכבות משלושה אטומי חמצן הנקשרים במבנה שהוא מגיב מאוד כסוכן חמצון, והם מתרחשים הן ברמות הסטרטוספירה והן ברמות הטרופוספירה של האטמוספירה.

מולקולות האוזון בסטרטוספירה יוצרות את שכבת האוזון, המסייעת למנוע מקרני UV מזיקות להגיע לפני השטח של כדור הארץ. בגבהים נמוכים יותר של הטרופוספירה, האוזון מזיק לבריאות האדם, וכפי שמזהם תורם ערפיח פוטוכימי. האוזון יכול לפגוע ישירות ברקמת הנשימה האנושית אם הוא נשאף, או לפגוע ברקמות הצמח ובחומרים רכים יותר, כולל צמיגים על כלי רכב.

נוכחות האוזון בטרופוספירה ניתן לכמת באמצעות נייר שנביין, תערובת של עמילן, אשלגן יודיד, ומים להתפשט על נייר מסנן. לאחר יבש, הנייר משנה צבע בנוכחות האוזון.

סרטון וידאו זה ימחיש את תהליך הכנת נייר שנביין, הצבה וקריאה של רצועות בדיקה וכימות רמות האוזון באמצעות סולם הצבעים שנביין.

אחת הדרכים שבהן אוזון טרופוספירי חיצוני נוצר בגובה הקרקע היא כאשר תחמוצות חנקן ותרכובות אורגניות נדיפות מפליטות רכב חשופות לאור השמש. כתוצאה מכך, התנאים להיווצרות האוזון וההסלמה בדאגה הבריאותית גוברים בסביבות שטופות שמש, או לפעמים או במקומות של שימוש כבד ברכב.

בתוך הבית, אוזון טרופוספירי יכול להיווצר כאשר פריקה חשמלית מציוד מתח גבוה, כמו מטהרי אוויר יוניים, מדפסות לייזר, או מכונות צילום, לשבור את הקשרים הכימיים של חמצן אטמוספרי באוויר שמסביב. הרדיקלים החופשיים של חמצן ואז לשלב עם מולקולת חמצן באוויר כדי ליצור אוזון.

באמצעות נייר שנביין, נייר מסנן ספוג בתמיסת עמילן ואשלגן יודיד, ניתן לכמת אוזון טרופוספירי. אוזון באוויר יהיה לחמצן את אשלגן יודיד על הנייר, לייצר יוד. היוד מגיב עם יודיד כדי לייצר triiodide, אשר לאחר מכן מגיב עם העמילן גם נוכח על הנייר, מכתים אותו סגול עמוק. עוצמת צבע זה תהיה תלויה בכמות האוזון הקיימת באוויר, עם צבעים כהים יותר המצביעים על כמויות גבוהות יותר של אוזון טרופוספירי.

קביעת ריכוז האוזון בשיטה זו יכולה להתבצע כמעט בכל אתר, בפנים או בחוץ. כעת, כאשר אנו מכירים את העקרונות העומדים מאחורי מדידת שנביין, הבה נבחן כיצד לבצע את הניסוי.

כדי להתחיל את ההליך, למקם 100 מל של מים מזוקקים לתוך 250 מל. לזה, להוסיף 6 גרם של קורנפלור. מניחים את הכיס על צלחת ערבוב מחוממת. הופכים את החום להגדרה בינונית-גבוהה, ומערבבים את התערובת עד שהיא מגיעה לכ -90 מעלות צלזיוס ויוצרת ג'ל. לאחר מכן, להסיר את ממקור החום ולהוסיף 1 גרם, או 1/4 כפית, של אשלגן יודיד ומערבבים ביסודיות עד אשלגן יודיד מומס. אפשר לפתרון להתקרר במשך 5 דקות על הספסל העליון.

מניחים פיסת נייר סינון על צלחת זכוכית, ובאמצעות מברשת צבע קטנה, מברישים בזהירות את הדבק על נייר המסנן. להפוך את נייר הסינון ולחזור על הצד השני, החלת הדבק באופן אחיד ככל האפשר. תרחיקו את הנייר למשך הלילה מאור השמש לייבוש. לחלופין, יש להניח בתנור ייבוש במהירות של 20 מעלות צלזיוס עד לייבוש. לאחר יבש, לחתוך את הנייר לרצועות ברוחב 1 אינץ '. אם מאחסנים את הנייר לשימוש מאוחר יותר, מניחים את הרצועות בשקית ניילון אטומה או בצנצנת זכוכית מאור שמש ישיר.

כדי לזהות אוזון, תחילה לרסס את רצועות נייר הבדיקה בקלילות עם מים מזוקקים. תלו לפחות שלוש רצועות בכל אתר איסוף נתונים מאור שמש ישיר, מהודקות בבטחה בקצה אחד למבנה, או תלויות על ידי חוט. ודא שהרצועות ללא הפרעה. השאירו את רצועות הבדיקה לתלות במשך 8 שעות.

שים לב היכן כל רצועה נתלתה, ובאמצעות פסילומטר, מדוד לחות יחסית בכל אתר. לחלופין, גישה לנתוני מזג אוויר, תיעד לחות יחסית בכל מיקום במהלך חשיפה לנייר. אם התוצאות לא ייקראו מיד, ניתן לאטום רצועות במיכל אטום לאחר החשיפה.

כדי לצפות ולתעד תוצאות בדיקה, לרסס את הנייר במים מזוקקים. שים לב לצבע על-ידי השוואתו לסולם הצבעים Schönbein ורשום את המספר המתאים. חשב את מספר שנביין הממוצע עבור כל אתר.

השתמש בנתוני הלחות היחסית עבור כל אתר ובתרשים המספרים של Schönbein לחות יחסית כדי להמיר את ממוצעי האתר של שנביין לריכוז האוזון, או לחלקים למיליארד.

היכולת למדוד ולתעד רמות אוזון טרופוספיריות יש יישומים רבים ומגוונים, ואת התוצאות של בדיקות כאלה יכול להיות השלכות משמעותיות על אוכלוסיות אנושיות.

במרכזים עירוניים מאוכלסים בכבדות, התכנסות של תנועת רכב גבוהה ואוכלוסייה אנושית צפופה יכולה להיות 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 בעין, באף ובגרון; נזק לריאות ודימום, בין היתר. בשיקגולנד העירונית, רצועות בדיקה שהוצבו במשך 8 שעות ביום יולי באוונסטון, קיקרו ונורת'ברוק רשמו רמות אוזון של 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb, בהתאמה.

בתוך הבית, סף בטוח לרמות האוזון זהה בחוץ, ונושא את אותם סיכונים בריאותיים פוטנציאליים. כדי להבטיח את שלומם של עובדים או דיירי בניין, כל הנחות עם כמויות גדולות של ציוד מתח גבוה צריך להיבדק עבור רמות האוזון. רצועות שהוצבו בחדר מכונת הצילום במשך 8 שעות רשמו רמת אוזון מקורה של 5 ppb, שהיא הרבה מתחת להנחיות משרד הבטיחות של ארצות הברית.

בגלל הפעולה של אור השמש הפיכת תחמוצת חנקן ותרכובות אורגניות נדיפות לאוזון, גלי חום או תקופות שמש במיוחד יכול להיות דאגה לתושבים עירוניים. ניטור רמות האוזון לאורך זמן יכול לבנות תמונה של סיכון פוטנציאלי, ולאפשר לרשויות לפרסם אזהרות או לבקש מהתושבים להפחית את השימוש ברכב בזמנים של אוזון גבוה.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למדידת אוזון טרופוספירי. עכשיו אתה צריך להבין איך אוזון טרופוספירי נוצר ומדוע זה דאגה, איך לעשות נייר Schönbein כדי לבדוק אוזון, וכיצד לפרש תוצאות הבדיקה. תודה שצפיתם!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

השתמש בסולם המספרים שנביין(איור 4)לניתוח כמותי של האוזון. התרשים משמש להשוואה עם ניירות לדוגמה לאחר 8 שעות של חשיפה במיקומים לדוגמה. השתמשו בתרשים המספרים של Schönbein לחות יחסית כדי להמיר את ציוני שנביין לריכוז האוזון (ppb)(איור 5).

הציון עולה עם עוצמת הצבע הגוברת, עם הסגול הכהה ביותר בצד ימין של הסקאלה. התוצאות אמורות להשתנות בהתאם למיקום אתר האיסוף(איור 5).

Figure 4
איור 4. Schönbein Number Scale

Figure 6
איור 5. גרף של ריכוזי אוזון מדגם.
ריכוזי אוזון טרופוספיריים חיצוניים ופנימיים המוצגים על ידי האתר וציון שנביין.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

חשיפה לאוזון טרופוספירי מזיקה לבריאות האדם; ידוע כגורם לכאב בחזה, שיעול, גירוי בגרון וגודש. האוזון גם מפריע לתפקוד הריאות, מחריף את הסימפטומים של ברונכיטיס, אמפיזמה, ואסטמה, והוא יכול לפגוע לצמיתות ברקמת הריאה.

מיקומים חיצוניים של כמויות מוגברות של אור שמש ואזורים עירוניים חווים רמות גבוהות יותר של אוזון טרופוספירי עקב כמות מוגברת וצפיפות של פליטות חנקות. מיקומים פנימיים שבהם נעשה שימוש במכונות צילום ומדפסות דיו הם גם אזורים בסיכון גבוה לחשיפה לאוזון. הסף הנוכחי בארה"ב לאוזון, שנקבע על ידי משרד הבטיחות והבריאות, הוא 0.1 ppm עם סיכונים בריאותיים כולל כאב ראש, גירוי בעיניים, באף ובגרון, נזק מוחי ומערכת העצבים, נזק לריאות, מחלות נשימה כרוניות, גודש ריאתי, בצקת ודימום.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter