CZ34851U1 - Vzorkovač pro ultra jemné aerosoly a nanočástice - Google Patents

Description

Vzorkovač pro ultra jemné aerosoly a nanočástice

Oblast techniky

Technické řešení se týká konstrukce přenosného zařízení, určeného ke kontinuálnímu vzorkování ultra jemných aerosolů a nanočástic z ovzduší do kapalné fáze. V případě on-line analýz chemického složení zachycených částic se zařízení připojuje přímo k analyzátorům umožňující okamžitou in-situ analýzu studovaných sloučenin obsažených ve vzorkovaných částicích. Při offline analýzách lze zařízení připojit k frakčnímu kolektoru pro automatizovaný odběr vzorků do vhodných viálek a následnou analýzu vzorků v laboratoři.

Dosavadní stav techniky

Analýza aerosolů v ovzduší patří k nej důležitějším oblastem environmentální analytické chemie, protože složení ovzduší a v něm se vyskytující toxické a znečišťující sloučeniny mají přímý dopad na lidské zdraví a další složky životního prostředí. Rozhodující roli z hlediska vlivu na zdraví hraje velikost částic. Nejvíce toxické jsou proto částice jemné frakce (tj. částice s průměrem menším než 2,5 pm), které pronikají až do dolních pater plic, a ultra jemné částice a nanočástice (tj. částice s průměrem menším než 100 nm), které jsou schopny přecházet přes buněčnou membránu do krve, pomocí níž jsou pak následně transportovány do dalších orgánů.

Techniky vzorkování aerosolů se principiálně dělí na dva základní typy - on-line a off-line. Dnes stále nej používanější je off-line vzorkování aerosolů zachycováním na vhodné medium v rámci zvoleného časového intervalu a přesně danou hodnotou průtoku. Nej častěji bývá analyzovaný aerosol prosáván vzduchovým čerpadlem přes filtry umístěné ve speciálních držácích, ve velkoobjemových nebo středně-objemových vzorkovačích. Použité typy filtrů se pak volí dle analyzovaných sloučenin. Další variantou pro off-line vzorkování aerosolů je kaskádový impaktor, který během vzorkování částice zároveň třídí podle velikosti do několika velikostních frakcí. Pod vzorkovacími tryskami na jednotlivých patrech impaktoru, kterými je aerosol prosáván, jsou umístěna odběrová média (filtry, fólie), na která jsou částice zachycovány. Za posledním patrem bývá umístěn koncový filtr, který zachytí nejmenší částice. Nevýhodou off-line způsobu vzorkování aerosolů (filtry, impaktory) je nutnost extrakce vzorku z odběrového média před následnou analýzou a možnost kontaminace při manuálním zpracováním vzorků. Zároveň není možné tímto způsobem monitorovat rychlé změny koncentrací aerosolů.

Využitím technik založených na kontinuálním záchytu částic aerosolu do kapaliny (většinou deionizovaná voda) lze extrakční krok zcela eliminovat a celý postup tak zjednodušit a zkrátit. Pro tyto účely byla vyvinuta celá řada on-line vzorkovačů, které lze přímo spojit s vhodným analyzátorem, jako například iontovým chromatografem. Nevýhodou kontinuálního vzorkování aerosolu do vody je však nízká účinnost záchytu pro malé částice. Aby bylo možné kvantitativně vzorkovat i ultra jemné částice a nanočástice, je nutné nejprve zvětšit průměr těchto částic na velikost několika mikrometrů. To je možné provést např. supersaturací - smícháním proudu aerosolu s přesycenou vodní párou a následným ochlazením [P.K. Simon et al., Anal. Chem., 67 (1995) 71; A. Khlystov et al., Atmos. Environ., 29 (1995) 2229], nebo částice nechat proudit přes nádobu s horkou vodou s následným chlazením [C. Sioutas and P.

Koutrakis, Aerosol Sci. Technol., 25 (1996) 424; A. Khlystov et al., J. Aerosol Sci., 36 (2005) 866],

Další variantu vzorkování aerosolů nabízí vzorkovač ACTJU (Aerosol Counterflow Two-Jets Unit) se dvěma protichůdnými tryskami [P. Mikuška a Z. Večeřa, Anal. Chem., 77 (2005) 5534], ve kterém se odebíraný vzduch sráží se dvěma proudy kapaliny. Dochází tak k záchytu aerosolů do dávkované kapaliny a výstup z ACTJU lze připojit přímo k detekčnímu přístroji. Mezi hlavní

-1 CZ 34851 UI výhody ACTJU patří jednoduchá konstrukce, nenáročná obsluha a malé rozměry. Hlavní nevýhodou ACTJU je postupné snižování účinnosti záchytu pro částice menší než 300 nm.

Cílem předloženého technického řešení je konstrukce přenosného vzorkovače, který umožní ze vzduchu vzorkovat i ultra jemné frakce aerosolu a nanočástice.

Podstata technického řešení

Zařízení podle technického řešení, vzorkovač pro ultra jemné aerosoly a nanočástice, řeší výše uvedené nedostatky. Zařízení sestává ze dvou částí: předřazená kondenzačně-růstová jednotka CGU (Condensation-Growth Unit) a ACTJU.

Jednotka CGU je tvořena dvěma dutými duralovými segmenty 1, 2, umístěnými v sérii za sebou, každý o vnějších rozměrech 34 * 7 *4 cm. Uvnitř každého segmentu jsou paralelně umístěné trubice 4 z porézního teflonu (Zeus, USA) s vnitřním průměrem 0,71 cm, tloušťkou stěny 0,4 mm a délkou 15 cm. Tyto trubice jsou mezi sebou propojeny spojkami 5 z nerezové oceli a prostor mezi nimi je vyplněn deionizovanou vodou, která je kontinuálně dávkována peristaltickým čerpadlem na vstup 6 do segmentu. Přebytek deionizované vody volně odchází výstupem 7 do odpadu. Vnitřní povrch obou duralových segmentů je pokryt tenkou vrstvou (40 pm) perfluoralkoxy-polymeru, aby nedocházelo ke korozi vnitřního povrchu při styku s vodou. Kondenzační jednotka CGU je během činnosti vertikálně orientována.

Analyzovaný vzduch je pomocí membránového čerpadla (10 1/min) nejprve nasáván přes první segment 1, pracující jako zvlhčovač, který je zvenku omotán topným pásem (48 V, 420 W, Brněnská Drutěva, ČR), pomocí něhož je vyhříván na vnitřní teplotu 52 °C. Nasávaný vzduch je při průchodu teflonovými trubicemi 4 prvního segmentu 1 nasycován vodní párou, procházející přes stěny porézní teflonové trubice 4 z vnějšího prostoru trubice dovnitř. Po průchodu zvlhčovačem se analyzovaný vzduch dostává do druhého segmentu 2, tzv. kondenzátoru, který je chlazen na vnitřní teplotu 18 °C pomocí Peltierových článků (TEG-127060S, 55 W, GM Electronic, ČR). Strmý pokles teploty má za následek přesycení vzduchu vodní párou, která rychle kondenzuje na malých částicích aerosolu přítomných v analyzovaném vzduchu, což způsobí rychlý kondenzační růst malých částic. Průměr částice se z počáteční velikosti několik nanometrů zvětší během několika milisekund na průměr několik mikrometrů.

Po průchodu přes druhý segment se analyzovaný vzduch nasává do ACTJU 3 (Ketron-PEEK). Ten byl oproti původní verzi [P. Mikuška et al., Anal. Chem., 77 (2005) 5534] upraven tak, aby nedocházelo ke zpětnému vypařování vodní páry z povrchu částic. Vzduchové trysky 8 (nerezová ocel, vnější průměr 6,35 mm), původně umístěné na čelní straně ACTJU, jsou situovány na horní stěně tak, aby bylo možné přímé propojení s výstupem z CGU ve vertikálním uspořádání. Vzduch je tak v přímém vertikálním směru nasáván přes oba segmenty CGU 1, 2 do ACTJU, kde dochází k záchytu částic do kapaliny. Taje kontinuálně přiváděna peristaltickým čerpadlem (2 ml/min) do ACTJU pomocí dvou trysek 9 (nerezová ocel, vnější průměr 0,8 mm), které jsou axiálně umístěné uvnitř vzduchových trysek 8. Kapalina se zachycenými částicemi je poté zároveň se vzduchem odváděna spojovací tryskou 10 (1,5 mm) do separátoru 11 (typ cyklon, vnitřní průměr 8 mm), kde dochází k separaci kapalného vzorku od vzduchu. Kapalina se zachycenými aerosoly se hromadí na spodku separátoru 11, odkud je kontinuálně odsávána peristaltickým čerpadlem k následné online analýze, neboje ve frakčním kolektoru dávkována do viálek pro off-line analýzu v laboratoři. Vzduch je ze separátoru 11 odsáván do odpadu.

Zařízení je určeno pro vzorkování aerosolů a nanočástic v ovzduší a jejich následnou analýzu. Zařízení je snadno přenosné, a proto jej lze používat ke vzorkování v terénu. K provozu potřebuje dostupný zdroj elektřiny. Po připojení ke vhodnému kontinuálnímu analyzátoru lze zařízení využít jako on-line vzorkovač pro monitoring vybraných analytů. V případech, kdy není možné vzorky okamžitě analyzovat, lze zařízení připojit k frakčnímu kolektoru [L. Čapka et al., Užitný vzor,

- 2 CZ 34851 UI

CZ 30849 UI, 2017-33783] a vzorky tak postupně odebírat pro pozdější off-line analýzu v laboratoři.

Objasnění výkresů

Obr. 1: Schéma vzorkovače CGU-ACTJU

Obr. 2: Schéma segmentu CGU

Obr. 3: Schéma ACTJU

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Vzorkovač CGU-ACTJU byl využit pro on-line analýzu dikarboxylových kyselin v městském aerosolu pomocí iontového chromatografu (IC) jako detektoru. Před vzorkovačem byl předřazen separátor větších částic (cyklon, typ URG-2000-30EN, URG, USA), který zajistil vzorkování pouze aerosolové frakce PM2.5, aanulámí denuder [P. Mikuška et al., Anal. Chim. Acta, 714 (2012) 68] pro odstranění plynných sloučenin, které by se jinak zachycovaly do kapaliny zároveň s aerosoly. Pro zvýšení citlivosti metody byl před IC zařazen prekoncentrační stupeň, sestávající ze dvou prekoncentračních kolon (Dionex lonPac AC 15 Anion Concentrator, Thermo Scientific, USA), pístového čerpadla (AXP, Dionex, USA) a 10-cestného ventilu (Dionex, Thermo Scientific, USA). Jako detekční systém byl využit iontový chromatograf (ICS-2100, Dionex, USA) s gradientovým dávkovačem mobilní fáze (Dionex EGC III KOH RFIC, Thermo Scientific, USA), supresorem (AERS 500 2-mm, Thermo Scientific, USA), odstraňovačem uhličitanů (Dionex CRD 200 2-mm RFIC AS11-HC, Thermo Scientific, USA) a vodivostním detektorem (ICS-2100, Dionex, USA). Pro separaci byla využita kolona 2 * 250 mm (Dionex lonPac AG11-HC, Thermo Scientific, USA) s předkolonou 2* 50 mm (Dionex lonPac AG11-HC, Thermo Scientific, USA) a mobilní fáze KOH s průtokem 0,38 ml/min, gradientem 1 až 80mM a dobou separace 60 min.

Analyzovaný vzduch obsahující aerosolové částice velikostní frakce PM2.5 je do vzorkovače CGU-ACTJU s předřazeným separátorem a anulámím denuderem nasáván pomocí membránového čerpadla (10 1/min). Částice aerosolu jsou v ACTJU kontinuálně zachycovány do deionizované vody, přiváděné do ACTJU pomocí peristaltického čerpadla (2 ml/min). Vzorek (deionizovaná voda se zachycenými aerosoly) je kontinuálně odsáván z ACTJU pomocí pístového čerpadla AXP (1,25 ml/min), následně prochází přes debubbler, kde jsou odstraněny bublinky vzduchu, a pak je prosáván přes prekoncentrační kolonu č. 1, kde dochází po dobu 60 minut k prekoncentraci analytů. Po ukončení prekoncentrace je lOcestný ventil přepnut do druhé pozice a mobilní fáze KOH eluuje analyty na separační kolonu pro jejich separaci a následnou detekci. Paralelně s elucí analytů z kolony č. 1 se zároveň prekoncentrují analyty z ACTJU na prekoncentrační kolonu č. 2. Po ukončení separace (60 min) je opět lOcestný ventil přepnut do původní pozice a paralelně dochází k elucí a následné separaci a detekci analytů z prekoncentrační kolony č. 2. Tímto způsobem je možné v 60minutových intervalech kontinuálně paralelně vzorkovat a separovat dikarboxylové kyseliny v aerosolech.

Příklad 2

Zařízení v tomto případě slouží k off-line vzorkování nanočástic pro studium jejich vlivu na biologické tkáně. Nanočástice z generátoru aerosolů [P. Mikuška, Collect. Czech. Chem. Commun., 69 (2004) 1453] jsou vzorkovány ve vzorkovači CGU-ACTJU do modelových plicních tekutin, které jsou do ACTJU přiváděny pomocí peristaltického čerpadla (2 ml/min). Vzorek na výstupu z ACTJU je pomocí peristaltického čerpadla dávkován na frakční kolektor [L. Čapka et al., Užitný vzor, CZ 30849 Ul, 2017-33783] do vhodných viálek a vzorky se postupně odebírají pro následnou analýzu.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Vzorkovač pro ultra jemné aerosoly a nanočástice, vyznačující se tím, že k aerosolovému vzorkovači (3) je vertikálně připojena předřazená kondenzačně-růstová jednotka, skládající se ze dvou segmentů (1,2).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že kondenzačně-růstová jednotka je tvořena dvěma dutými duralovými za sebou umístěnými segmenty (1,2), přičemž uvnitř každého segmentu jsou paralelně umístěné trubice (4) z porézního teflonu spojené navzájem spojkami (5) z nerezové oceli.
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že vnitřní prostor segmentů (1, 2) je vyplněn deionizovanou vodou, dávkovanou do vstupu (6) segmentů peristaltickým čerpadlem, přičemž přebytek deionizované vody je volně odváděn výstupem (7) do odpadu.
4. 4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že první segment (1), pracující jako zvlhčovač, je opatřen topným pásem, pro vyhřívání na teplotu 52 °C.
5. 5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhý segment (2), pracující jako kondenzátor, je opatřen Peltierovými články, pro chlazení na teplotu 18 °C.
6. 6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapalinové trysky (9) v aerosolovém vzorkovači (3) jsou axiálně umístěné uvnitř vzduchových trysek (8).
7. 7. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že aerosolový vzorkovač (3) určený pro zachytávání aerosolu do kapaliny je spojovací tryskou (10) spojen se separátorem (11).