RAPORT KOŃCOWY Z REALIZACJI PROJEKTU:

(1)

1

RAPORT KOŃCOWY Z REALIZACJI PROJEKTU:

„Wdrożenie do praktyki matryc czujnikowych jako narzędzi

wskaźnikowych do monitoringu jakości powietrza na terenie aglomeracji trójmiejskiej”, Nr umowy WFOŚ/D/201/19/2018

Opracował: dr hab. inż. Jacek Gębicki, prof. PG Gdańsk, 15-12-2020

(2)

2 Spis treści

1. Wstęp...3

2. Realizacja projektu...3

2.1 Etap 1...4

2.2 Etap 2...18

2.3 Etap 3...26

2.4 Etap 4...32

2.5 Etap 5...36

2.6 Podsumowanie i wnioski z realizacji projektu...43

2.7 Upowszechnianie wyników...47

2.8 Nawiązana współpraca...49

(3)

3

1. Wstęp

Celem projektu była konstrukcja i odpowiednia konfiguracja matryc czujnikowych przeznaczonych do detekcji NO_x, LZO (lotnych związków organicznych), PM10 wspierająca monitoring jakości powietrza w aglomeracji trójmiejskiej. Zadaniem skonstruowanych nowych rozwiązań aparaturowych w zakresie matryc czujnikowych było przeprowadzenie pomiarów wskaźnikowych w takich punktach pomiarowych, gdzie albo nie są prowadzone pomiary i brak jest informacji o poziomie stężeń składników zanieczyszczających powietrze albo pomiary w takich punktach, gdzie wymagane są dodatkowe i uzupełniające pomiary w stosunku do pomiarów już prowadzonych, np. ciągi komunikacyjne, tereny uzdrowisk czy tereny ochrony przyrody. Ponadto zastosowanie matryc czujnikowych zbudowanych na bazie czujników przeznaczonych do oznaczeń: NOx, LZO, PM10 umożliwiło uzyskanie informacji o możliwości wystąpienia na danym terenie niekorzystnych zjawisk takich, jak smog fotochemiczny, czy przekroczenie alarmowych poziomów zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego. Skonstruowanie, przetestowanie oraz wdrożenie takiego systemu z zastosowaniem niskokosztowych czujników chemicznych jest wciąż atrakcyjne pod względem ekonomicznym w stosunku do nakładów finansowych ponoszonych w ramach monitoringu jakości powietrza atmosferycznego prowadzonego za pomocą metod odniesienia zgodnie z dyrektywą CAFE.

2. Realizacja projektu

Plan badań obejmował pięć głównych zadań:

1. Zaprojektowanie i zbudowanie matryc czujnikowych na bazie handlowych podzespołów i czujników chemicznych.

2. Przeprowadzenie testów zbudowanych matryc w warunkach laboratoryjnych w celu określenia ich parametrów metrologicznych.

3. Przeprowadzenie testów terenowych w celu określenia stabilności pomiarowej matryc czujnikowych oraz wiarygodności uzyskiwanych wyników w zmiennych warunkach atmosferycznych.

4. Przeprowadzenie testów porównawczych z metodami odniesienia w celu określenia jakości uzyskiwanych wyników pomiarowych.

5. Zaprojektowanie i zbudowanie testowej lokalnej sieci monitoringu z wykorzystaniem matryc czujnikowych, dedykowanej dla wybranych punktów pomiarowych.

(4)

4

Ponadto po realizacji projektu zaprojektowana sieć monitoringu była jeszcze dodatkowo testowana na terenie miasta Gdynia w okresie od 1 lipca do 8 października 2020r.

2.1 Etap 1 - Zaprojektowanie i zbudowanie matryc czujnikowych na bazie handlowych podzespołów i czujników chemicznych.

Na rys.1 przedstawiono koncepcję schematu ideowego budowy miernika matryc czujnikowych przeznaczonych do pomiaru NOx, LZO, PM10 i PM2,5. Proponowany miernik składa się z następujących elementów:

a) czujników PM10/PM2,5 oznaczonych jako czujnik 1, czujnik 2, znajdujących się w komorze czujnikowej. Zadaniem czujników było mierzenie stężenia pyłu PM10/PM2,5 w powietrzu atmosferycznym pobieranym z zewnątrz za pomocą wentylatora ze stałym objętościowym natężeniem przepływu uzależnionym od temperatury i wilgotności względnej powietrza opuszczającego komorę termostatowania. Wpływające powietrze do komory czujników powinno charakteryzować się temperaturą i wilgotnością względną (T=20⁰C±1⁰C i φ=50%±5%) zapewniającą uzyskiwanie wyników z określoną powtarzalnością. Oba czujniki PM10/PM2,5 były wyposażone w wewnętrzne wentylatory niezbędne do pobierania próbek powietrza z przepływającego strumienia wytworzonego przez wentylator znajdujący się na linii toru pomiarowego. Czujniki zamontowane są w korpus wykonany w technologii 3D z tworzywa sztucznego, który znajduję się na linii toru pobierania próbki.

(5)

5

Rysunek 1. Schemat ideowy miernika opartego na matrycach czujnikowych

b) czujników NO, NO2, LZO oznaczonych jako czujniki 3, 4, 5 (czujnik 6 stanowi czujnik zapasowy). Czujniki te zamontowane były w osobnej komorze ale znajdującej się we wnętrzu wspólnej komory dla wszystkich elementów miernika. Zadaniem tych czujników było mierzenie stężenia NO, NO2, LZO w powietrzu atmosferycznym pobieranym z zewnątrz za pomocą pompy ssawnej ze stałym objętościowym natężeniem przepływu. Pomiar stężenia

(6)

6

dokonywany był z określoną częstotliwością wynoszącą 10 minut. Dodatkowo przed komorą pomiarową znajduje się filtr zatrzymujący cząsteczki pyłu zawieszonego, celem prawidłowego pomiaru stężeń zanieczyszczeń gazowych. Czujniki zamontowane były w korpus wykonany z materiału inertnego - teflonu.

c) czujników temperatury, wilgotności względnej i ciśnienia atmosferycznego (T, RH, p).

Jeden zestaw czujników temperatury, wilgotności względnej i ciśnienia znajduje się w linii toru przepływowego tuż przed komorą pomiarową PM10/PM2,5. Drugi zestaw czujników temperatury, wilgotności względnej i ciśnienia znajduje się przed komora pomiarową NO, NO2, LZO. Zadaniem pierwszego zestawu czujników parametrów metrologicznych było sprawdzanie stałości parametrów pomiarowych podczas prowadzonych badań (pomiar PM10/PM2,5). Drugi zestaw czujników posłużył do sprawdzenia wpływu tych parametrów na uzyskiwane wyniki (pomiar NO, NO2, LZO). Zastosowanie pomiarów wilgotności względnej, temperatury i ciśnienia powietrza atmosferycznego ma na celu wprowadzenie ewentualnych korekt w trakcie badań terenowych dotyczących:

- konstrukcji miernika zapewniającej ograniczenie wpływu warunków środowiskowych w miejscu pomiaru,

- termostatowaniu wnętrza obudowy miernika, - termostatowaniu toru pobierania próbki, - wymuszeniu i kontroli przepływu próbki,

- oprogramowaniu modułu komunikacji miernika.

d) komory termostatowania. Zadaniem komory termostatowania było utrzymanie takich warunków pracy aby opuszczające powietrze atmosferyczne charakteryzowało się stałymi wartościami temperatury i wilgotności względnej (T=20⁰C±1⁰C i φ=50%±5%).

Zaproponowane wartości temperatury i wilgotności względnej powietrza są podyktowane zawartymi w normie PN-EN 12341:2006 wytycznymi dotyczącymi pomiaru pyłu PM10/PM2,5 w powietrzu atmosferycznym. Niedotrzymanie tych warunków skutkować może zmianą objętościowego natężenia przepływu powietrza wymuszonego wentylatorem znajdującym się na końcu toru pobierania próbki. Brak stałości parametrów meteorologicznych powietrza atmosferycznego spowoduje pojawienie się dodatkowych błędów pomiarowych co wpłynie na jakość uzyskiwanych wyników. Ponadto, utrzymanie stałych warunków uniemożliwiło wykroplenie się wody ze strumienia zasysanego powietrza atmosferycznego przez wentylator.

e) komory z czujnikami gazu NO, NO2, LZO. Zadaniem komory pomiarowej było utrzymanie stałych warunków pracy oraz zapewnienie braku sorpcji na ściankach zanieczyszczeń

(7)

7

gazowych powodujących błędy w pomiarach. Ponadto, utrzymanie stałych warunków uniemożliwiło wykroplenie się wody ze strumienia zasysanego powietrza atmosferycznego przez wentylator.

f) wentylatora i pompy ssawnej. Zadaniem wentylatora (pomiar PM10/PM2,5) było utrzymanie stałego przepływu powietrza atmosferycznego przez całą linię toru pobierania próbki, w taki sposób aby powietrze atmosferyczne opuszczające komorę termostatowania charakteryzowało się: żądanymi wartościami temperatury i wilgotności względnej (T=20⁰C±1⁰C i φ=50%±5%). Zadaniem pompy ssawnej (pomiar NO, NO2, LZO) było zassanie powietrza atmosferycznego i skierowanie na separator pyłu zawieszonego i komorę pomiarową tak aby w komorze pomiarowej (pomiar NO, NO2, LZO) dokonywać pomiaru zanieczyszczeń tylko gazowych.

g) układu pomiarowego. Do zbierania danych wykorzystany został układ elektroniczny umożliwiający komunikację z wybranymi typami czujników. Układ ten charakteryzował się możliwością odczytywania danych z wykorzystaniem odpowiednich protokołów komunikacyjnych, takich jak: I²C, SPI, UART lub też wartości analogowych (poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy, korzystnie z dużą rozdzielczością). Sposób odczytu danych był zależny od typu wykorzystywanego czujnika. Układ umożliwiał odczyt wartości z żądaną częstotliwością odczytów na minutę/sekundę. Dane zgromadzone przez układ pomiarowy trafiają do mikrokontrolera, którego zadaniem jest uśrednianie odczytanych danych oraz ich odpowiednie przygotowanie do przesłania na serwer. Przetworzone dane z mikrokontrolera przesyłane są do routera z wykorzystaniem protokołu TCP/IP. Komunikacja z serwerem danych odbywała się z wykorzystaniem modemu GSM podłączonego do routera.

Oprogramowanie po stronie serwera umożliwiało trwały zapis otrzymanych danych z mierników oraz ich prezentację.

2.1.1 Czujniki pomiarowe

Poziom stężenia zanieczyszczeń gazowych w powietrzu atmosferycznym determinuje wybór czujników chemicznych do ich pomiaru. Stosowalność czujników chemicznych do monitoringu powietrza atmosferycznego jest stosunkowo ograniczona ze względu na niski poziom stężeń zanieczyszczeń gazowych występujących na poziomie 0,1 ppb-1ppm. Rozwój technologii wytwarzania czujników chemicznych oraz elementów elektroniki zaowocował w ostatnich latach pojawieniem się na rynku czujników chemicznych zdolnych do pomiarów na poziomie dziesiątek ppb, co pozwala na mierzenie stężeń zanieczyszczeń gazowych w powietrzu atmosferycznym. Po dokładnym zapoznaniu się z ofertą rynkową, zastosowano w

(8)

8

projektowanych i budowanych miernikach czujniki: elektrochmiczne, fotojonizacyjne oraz optyczne, poniżej znajduje się opis zasady działania poszczególnych czujników.

2.1.1.1 Czujnik elektrochemiczny

W czujników elektrochemicznych wykorzystuje się zjawisko dyfuzji cząsteczek analitu poprzez membranę i elektrolit wewnętrzny (będący najczęściej wodnym roztworem mocnych kwasów lub zasad) do powierzchni elektrody pracującej odpowiednio spolaryzowanej względem elektrody odniesienia. Na elektrodzie pracującej zachodzi reakcja elektrochemiczna utlenienia lub redukcji cząsteczki analitu, na przeciwelektrodzie zachodzi reakcja uzupełniająca bilans elektronów. Skutkiem tego procesu jest wygenerowanie prądu elektrycznego będącego sygnałem czujnika i proporcjonalnego do stężenia analitu będącego w bezpośrednim sąsiedztwie czujnika. Na Rys. 2 przedstawiona jest w sposób schematyczny budowa czujnika elektrochemicznego w wersji trójelektrodowej z elektrodą pracującą (pomiarową), przeciwelektrodą i elektrodą odniesienia mającą stały potencjał względem elektrody pracującej.

Rysunek 2. Schemat budowy czujnika elektrochemicznego w wersji trójelektrodowej z elektrodą pomiarową, przeciwelektrodą i elektroda odniesienia.

(9)

9 2.1.1.2 Czujnik fotojonizacyjny - PID

Zasada działania czujników fotojonizacyjnych opiera się na jonizacji (rozpadzie na naładowane cząstki) obojętnych cząsteczek związków chemicznych. Proces jonizacji w przypadku czujników PID zachodzi pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego o odpowiednio dobranej energii fotonów. Czujniki PID przeznaczone są głównie do wykrywania LZO, dlatego też do ich konstrukcji wykorzystuje się lampy bezelektrodowe (indukcyjne) z zakresu nadfioletu (o długości fali 10-400 nm). Praca lampy opiera się na pobudzaniu do emisji gazu wypełniającego lampę poprzez działanie zewnętrznego pola elektromagnetycznego. Energia emitowanych fotonów zależy od rodzaju stosowanego gazu (Tabela 1). Energia emitowanych fotonów determinuje możliwości zastosowania lampy do wykrywania określonych związków chemicznych. Schemat czujnika PID przestawiono na Rysunku 3. Cząsteczki gazu trafiają w region działania lampy. W wyniku działania fotonów emitowanych przez źródło promieniowania są jonizowane. Powstałe jony kierowane są pomiędzy dwie spolaryzowane elektrody. W wytworzonym przez elektrometr polu elektrycznym jony poruszają się w kierunku elektrod, powodując przepływ prądu, który następnie zamieniany jest na sygnał napięciowy.

Tabela 1. Charakterystyka lamp stosowanych w czujnikach PID Gaz wypełniający

lampę

Długości fali emitowanej [nm]

Energia fotonu [eV]

Związki jonizowane

krypton 123,9

116,9

10,0 10,6

amoniak, etanol, aceton

ksenon 147,6

129,1

8,4 9,6

benzen, aminy, związki aromatyczne

argon 105,9 11,7

acetylen, formaldehyd,

metanol

(10)

10

Rysunek 3. Schemat działania czujnika PID

Główną zaletą czujników PID są ich niewielkie wymiary (ze względu na stosowanie miniaturowych lamp bezelektrodowych). Natomiast główną niedogodnością ich stosowania jest fakt, że energie fotonów wytwarzanych przez dostępne handlowo lampy pozwalają na jonizację tylko wybranych lotnych związków chemicznych.

2.1.1.3 Czujnik optyczny

Do pomiaru stężenia pyłu zawieszonego PM10 i PM2,5 wykorzystuje się czujniki optyczne. Zasada ich działania oparta jest na laserowych licznikach cząstek. Schematycznie zostało to przedstawione na rys.4. Licznik taki zbudowany jest z diody laserowej, układu optycznego (soczewki) i elementu detekcyjnego (fotodetektora). Liczniki te są w stanie mierzyć cząstki o średnicach większych od około 0,5 µm do kilkuset mikrometrów, minimalne stężenie cząstek zaczyna się od pojedynczych sztuk na litr. Zasada działania licznika jest bardzo prosta. Strumień powietrza zawierający rozproszone cząstki przepływa przez obszar oświetlony światłem lasera. Cząstki rozpraszają światło lasera które potem jest zbierane przez układ optyczny i skupiane na detektorze którym najczęściej jest fotodioda.

Każdej przelatującej cząstce odpowiada jeden impuls rozproszonego światła i przez to jeden impuls prądu detektora. Odpowiednie ustawienie układu optycznego zapewnia pomiar cząstek charakteryzujących się odpowiednią średnica aerodynamiczną.

(11)

11

Rysunek 4. Zasada działania laserowego licznika cząstek

Zależność natężenia promieniowania rozproszonego I od kąta rozproszenia θrozp i promienia cząstki r rozpraszającej przedstawia poniższe równanie:

𝐼 = 𝐼₀₁+ 𝐼₀₂𝑐𝑜𝑠²(𝜃_{𝑟𝑜𝑧𝑝}) (𝛼 𝑟)

2

(2𝜋 𝜆 )

4

gdzie: I₀₁- natężenie promieniowania padającego składowa równoległa, I₀₂ - natężenie promieniowania padającego składowa prostopadła, θ - kąt pod jakim następuje rozproszenie światła, α - polaryzowalność ośrodka (powietrza), λ - długość fali padającego światła, r- promień cząstki pyłu.

Na rysunku 5 przedstawiono schematycznie model rozpraszania promieniowania laserowego padającego na cząstkę pyłu. Znajomość kąta θrozp pod jakim następuje rozproszenie promieniowania oraz długości fali światła pochodzącego z diody laserowej umożliwia takie ustawienie soczewki aby zbierać promieniowanie rozproszone od cząstek PM10/PM2,5. Do zalet takich liczników należy prostota konstrukcji i dokładność pomiaru stężenia cząstek.

(12)

12

Rysunek 5. Rozpraszanie promieniowania laserowego na cząstkach pyłu

Do budowy miernika zbudowanego z matryc czujnikowych zastosowano dostępne na rynku czujniki, które oprócz wymiarów fizycznych umożliwiających łatwe wbudowanie w miernik charakteryzowały się takimi parametrami pomiarowymi które powinny spełnić wymagania stawiane pomiarom terenowym. Spośród wielu dostępnych na rynku czujników PM10/PM2,5 dokonano wyboru takich które charakteryzują się zakresem pomiarowym 0- 1000 µm/m³ oraz czasem odpowiedzi czujnika poniżej 1 minuty. W przypadku czujników gazowych do pomiaru NO₂, NO, LZO dokonano wyboru takich, które charakteryzują się zakresem pomiarowym od pojedynczych ppb do 20-50 ppm oraz czasem odpowiedzi na poziomie pojedynczych sekund. Dodatkowo czujniki powinny pracować stabilnie w zmiennych warunkach atmosferycznych oraz charakteryzować się stosunkowo długim czasem bezawaryjnej pracy. Wytypowane czujniki zostały przedstawione w Tabeli 2.

Tabela 2. Charakterystyka czujników chemicznych użytych do budowy miernika składającego się z matrycy czujnikowej.

NO2-A43F Czujnik NO₂

NO-A4 Czujnik NO

PID-AH2 Czujnik LZO

SDS021 Czujnik PM10/PM2,5 Producent Alphasense Ltd Alphasense Ltd Alphasense Ltd Nova Fitness

Co., Ltd.

Zakres

pomiarowy 15ppb-20 ppm 80ppb-20ppm 1ppb-50ppm 0-1000 µm/m³

(13)

13 Czas

odpowiedzi < 60 s < 25 s < 3s 1 s

Zakres

temperaturowy -30÷40⁰C -30÷50⁰C -40÷65⁰C -10÷50⁰C Zakres

wilgotności względnej

15-85% 15-85% 0-95% 0÷70%

Wymiar Waga < 6 g Waga < 6 g Waga < 8 g 42x32x24 mm

2.1.2 Projekt budowy miernika składającego się z matryc czujnikowych

Na podstawie zaproponowanego schemat ideowego miernika opartego na matrycach czujnikowych (zaprezentowanego na rys. 1) oraz wymaganiach technicznych niezbędnych do poprawnego funkcjonowania zwrócono się z ofertą na wykonanie 5 szt. urządzeń badawczo- pomiarowych zgodnych z następującymi wymaganiami:

1. Wyposażenie w czujniki pomiarowe:

a. 1 x czujnik NO (NO-A4) b. 1 x czujnik NO2 (NO2-A43F) c. 1 x czujnik LZO (PID-AH2)

d. 2 x czujnik PM10/PM2.5 (SDS021)

2. Czujniki gazowe zabudowane w komorze i torze pomiarowym z materiałów obojętnych i o odporności chemicznej na mierzone substancje.

3. Urządzenie w termostatowanej obudowie IP65 odpornej na warunki zewnętrzne z uchwytami do montażu.

4. Wymuszenie i kontrola przepływu w torze pomiarowym oraz kondycjonowanie powietrza w komorach pomiarowych.

5. Pomiar temperatury, wilgotności względnej i ciśnienia powietrza otoczenia oraz w komorach pomiarowych.

6. Wyposażenie w układy elektroniczne oferujące parametry metrologiczne zgodne z zaleceniami producentów czujników.

7. Sterowanie procesem pomiarowym przez sterownik elektroniczny o konfigurowalnym algorytmie pomiarowym z pełnym udostępnieniem przez udokumentowany interfejs cyfrowy pomiarów z czujników oraz pomiarów pomocniczych procesu pomiarowego.

8. Wbudowane oprogramowanie sterujące umożliwiające zdalne sterowanie procesem pomiarowym oraz pełne udostępnianie danych pomiarowych do systemu nadrzędnego sieci pomiarowej.

(14)

14

Wyżej wymienione wymagania oraz chęć wykonania tych urządzeń zgłosiła firma TETABIT sp. z o.o., 50-501 Wrocław, ul. Hubska 89/1, która zaprezentowała następujący schemat układu pomiarowego przedstawiony na rys. 6.

Rysunek 6. Schemat miernika pomiarowego opartego na matrycach czujnikowych Oferta została przyjęta i po dostarczeniu czujników chemicznych oraz podzespołów eksploatacyjnych takich jak: wentylatory obiegowe z pomiarem prędkości obrotowej, pompki ssące-membranowe, czujniki parametrów środowiskowych (temperatura, ciśnienie, wilgotność względna) zostały wykonane mierniki pomiarowe oparte na matrycach czujnikowych. Na rys. 7 został zaprezentowany zbudowany kompletny miernik pomiarowy.

(15)

15

Rysunek 7. Zbudowany miernik pomiarowy oparty na matrycach czujnikowych, przeznaczony do pomiarów: NO2, NO, LZO, PM10/PM2,5. Widok ogólny

Na kolejnych rysunkach (rys. 8 i rys. 9) zostało zaprezentowane wnętrze i zewnętrzna część miernika pomiarowego opartego na matrycach czujnikowych.

(16)

16

Rysunek 8. Zbudowany miernik pomiarowy oparty na matrycach czujnikowych, przeznaczony do pomiarów: NO2, NO, LZO, PM10/PM2,5. Widok wewnętrzny

(17)

17

Rysunek 9. Zbudowany miernik pomiarowy oparty na matrycach czujnikowych, przeznaczony do pomiarów: NO2, NO, LZO, PM10/PM2,5. Widok zewnętrzny

Na rys. 10 zostały zaprezentowane czujniki chemiczne użyte do budowy miernika pomiarowego.

Rysunek 10. Czujniki chemiczne użyte do budowy miernika pomiarowego

(18)

18 2.1.3 Podsumowanie Etapu 1

Celem pierwszego etapu realizacji projektu było zaprojektowanie i zbudowanie matryc czujnikowych na bazie handlowych podzespołów i czujników chemicznych.

Po zapoznaniu się z ofertą rynkową oraz wieloletniemu doświadczeniu w budowie i eksploatacji czujników chemicznych zaprojektowano miernik pomiarowy oparty na bazie matryc czujnikowych zdolnych do pomiaru: NO2, NO, LZO, PM10/PM2,5. Następnie zgłoszono zapotrzebowanie na wykonanie mierników (5 szt.). Wykonanie zostało zrealizowane przez firmę TETABIT sp. z o.o., zgodnie z wytycznymi i wymaganiami stawianymi urządzeniom pomiarowym przeznaczonym do pomiarów jakości powietrza atmosferycznego.

2.2 Etap 2 - Przeprowadzenie testów zbudowanych matryc w warunkach laboratoryjnych w celu określenia ich parametrów metrologicznych.

Celem II etapu realizacji projektu było: Przeprowadzenie testów zbudowanych matryc w warunkach laboratoryjnych w celu określenia ich parametrów metrologicznych takich jak:

a) czułość, b) selektywność,

c) niepewność pomiarowa, d) dryf sygnału,

e) stabilność pomiarowa.

Na podstawie zrealizowanego etapu I do testów zbudowanych matryc w warunkach laboratoryjnych użyto czujniki zamieszczone w Tabeli 3.

Tabela 3. Charakterystyka czujników chemicznych użytych do budowy miernika składającego się z matrycy czujnikowej.

NO2-B43F Czujnik NO₂

NO-B4 Czujnik NO

PID-AH2 Czujnik LZO Producent Alphasense Ltd Alphasense Ltd Alphasense Ltd

Zakres

pomiarowy 15ppb-20 ppm 20ppb-20ppm 1ppb-50ppm Czas

odpowiedzi < 60 s < 45 s < 3s Zakres

temperaturowy -30÷40⁰C -30÷60⁰C -40÷55⁰C Zakres

15-85% 15-85% 0-95%

(19)

19

Wymiar Waga <13 g Waga < 13 g Waga < 8 g

Gdzie czujniki NO2 i NO to czujniki elektrochemiczne, a czujnik PID to czujnik fotojonizacyjny. Ich zasady działania zostały opisane w raporcie z realizacji I etapu projektu.

2.2.1 Karty charakterystyk czujników chemicznych

Na rys. 11 i 12 przedstawiona jest karta charakterystyki czujnika NO-B4 firmy Alphasense.

Rysunek 11. Karta charakterystyki czujnika NO

(20)

20

Rysunek 12. Karta charakterystyki czujnika NO

Na rys. 13 i 14 przedstawiona jest karta charakterystyki czujnika NO2-B43F firmy Alphasense.

(21)

21

Rysunek 13. Karta charakterystyki czujnika NO2

(22)

22

Rysunek 14. Karta charakterystyki czujnika NO2

Na rys. 15 i 16 przedstawiona jest karta charakterystyki czujnika PID-AH2 firmy Alphasense.

(23)

23

Rysunek 15. Karta charakterystyki czujnika LZO

(24)

24

Rysunek 16. Karta charakterystyki czujnika LZO

2.2.2 Stanowisko pomiarowe

W celu zbadania i określenia parametrów metrologicznych poszczególnych czujników zbudowano stanowisko pomiarowe przedstawione na rys. 17.

(25)

25

Rysunek 17. Stanowisko pomiarowe służące do testowania czujników chemicznych

Stanowisko zbudowane było z:

a) butli z NO2 o stężeniu 100 ppm

b) generatora wytwarzającego stężenie benzenu w zakresie 0-100 ppm c) kontrolerów masowych o natężeniu przepływu od 0 do 100 cm³/min.

d) kolektora uśredniającego stężenia generowanych próbek do analizy

e) miernika zbudowanego z matryc czujnikowych przedstawionego na rys. 18

Rysunek 18. Miernik pomiarowy oparty na matrycach czujnikowych, przeznaczony do pomiarów: NO2, NO, LZO, PM10/PM2,5. Widok wewnętrzny.

(26)

26 2.2.3 Wyniki

W tabeli 4 przedstawiono uzyskane w trakcie testów uśrednione wyniki parametrów metrologicznych poszczególnych czujników chemicznych.

Tabela. 4 Charakterystyka parametrów metrologicznych czujników chemicznych przeprowadzonych podczas testów laboratoryjnych

parametr Czujnik NO2 Czujnik NO

Czujnik LZO (testowany na

benzen) czułość 500±100 nA/ppm 200±80 nA/ppm 15±3 mV/ppm

czas odpowiedzi 45±5 s 40±5 s 2±0,5 s

zakres pomiarowy 50 ppb-20 ppm 100 ppb-20 ppm 5ppb-5ppm

limit detekcji 50±10 ppb 100±20 ppb 5±2 ppb

błąd względny wg

karty 20±5% 30±10% 5±2%

2.2.4 Podsumowanie Etapu II

Na podstawie wstępnych badań laboratoryjnych parametrów metrologicznych czujników chemicznych będących elementami matryc czujnikowych miernika zaobserwowano:

a) parametry metrologiczne poszczególnych czujników spełniają z akceptowalną dokładnością parametry zamieszczone w kartach charakterystyk tych czujników,

b) uzyskane wyniki trzeba porównać z wynikami uzyskanymi w warunkach rzeczywistych uwzględniając wpływ temperatury i wilgotności względnej powietrza

c) stabilność pomiarowa oraz dryf sygnału w trakcie prowadzonych testów była na akceptowalnym poziome ( poniżej 5%)

2.3 Etap 3 - Przeprowadzenie testów terenowych w celu określenia stabilności pomiarowej matryc czujnikowych oraz wiarygodności uzyskiwanych wyników w zmiennych warunkach atmosferycznych.

(27)

27

Na podstawie zrealizowanego etapu I i II do testów terenowych użyto matrycę czujnikową zbudowaną z czujników zamieszczonych w Tabeli 5.

Tabela 5. Charakterystyka czujników chemicznych użytych do budowy matrycy czujnikowej.

NO-B4 Czujnik NO

PID-AH2 Czujnik LZO

SDS021 Czujnik PM10/PM2,5 Producent Alphasense Ltd Alphasense Ltd Alphasense Ltd Nova Fitness

Co., Ltd.

Zakres

pomiarowy 15ppb-20 ppm 20ppb-20ppm 1ppb-50ppm 0-1000 µm/m³ Czas

odpowiedzi < 60 s < 45 s < 3s 1 s

Zakres

temperaturowy -30÷40⁰C -30÷50⁰C -40÷65⁰C -10÷50⁰C Zakres

15-85% 15-85% 0-95% 0÷70%

Wymiar Waga < 13 g Waga < 13 g Waga < 8 g 42x32x24 mm

Na podstawie zapytania ofertowego z dnia 07-01-2019 dotyczącego udostępnienie infrastruktury pomiarowej i wsparcia testów terenowych, otrzymano ofertę z dnia 10-01-2019 z Zakładu Ochrony Powietrza Instytutu Podstaw Inżynierii Środowiska PAN mieszczącego się w Zabrzu. Oferta obejmowała przeprowadzenie badań na stacji Fundacji ARMAAG nr AM2 w Gdańsku ul. Kaczeńce. Ponadto oferta obejmowała udostępnienie dla celów projektu certyfikowanej stacji pomiarowej zgodnie z poniższymi wymaganiami:

1. Udostępnienie stacji pomiarowej realizującej pomiary w ramach sieci PMŚ.

2. Wyposażenie pomiarowe: miernik NO+NO2, chromatograf BTX oraz automatyczny miernik pyłu PM10 mierzące wymienione substancje metodami uznanymi za referencyjne lub ekwiwalentne.

3. Stacja wyposażona jest w generatorom powietrza zerowego oraz kalibrator z gazami wzorcowym do kalibracji wymienionych mierników.

4. Na stacji wykonywane są pomiary parametrów meteo: prędkość i kierunek wiatru, temperatura, wilgotność względna, ciśnienie atmosferyczne.

5. Pomiar zanieczyszczeń gazowych realizowany jest zgodnie z akredytacją PCA.

(28)

28

6. Zapewnienie dostępu on-line do chwilowych odczytów z wymienionych urządzeń pomiarowych oraz do danych zagregowanych.

7. Udostępnienie zasilania (max 300W) oraz na żądanie wstępu na teren stacji.

8. Instalacja i deinstalacja 5 szt. mierników z matrycami czujnikowymi z użyciem materiałów własnych.

9. Zapewnienie zbierania i obróbki danych pomiarowych z matryc czujnikowych w okresie testów poprzez użyczenie odpowiednich urządzeń rejestrujących dane.

10. Zapewnienie wsparcia technicznego w testach mierników z matrycami czujnikowymi w zakresie obsługi zdalnej i lokalnej na stacji, łącznie z wykonywaniem zleconych czynności eksploatacyjnych w zakresie do 2 wizyty x 2h miesięcznie.

Dnia 11-01-2019 zlecono Zakładowi Ochrony Powietrza Instytutu Podstaw Inżynierii Środowiska PAN mieszczącego się w Zabrzu przeprowadzenie testów terenowych w celu określenia stabilności pomiarowej matryc czujnikowych oraz wiarygodności uzyskiwanych wyników w zmiennych warunkach atmosferycznych.

2.3.1 Montaż mierników na stacji pomiarowej AM2 w Gdańsku

W okresie od 14-01-2019 do 28-02-2019 przeprowadzono testy terenowe w celu określenia stabilności pomiarowej matryc czujnikowych oraz wiarygodności uzyskiwanych wyników w zmiennych warunkach atmosferycznych. Na fotografiach 1-5 przedstawiono zamontowane mierniki do pomiaru jakości powietrza atmosferycznego na stacji pomiarowej AM2 będącej elementem sieci pomiarowej Fundacji ARMAAG.

(29)

29

Fot. 1 Widok ogólny stacji pomiarowej AM2 zlokalizowanej w Gdańsku.

Fot. 2 Widok ogólny 5 mierników do pomiaru jakości powietrza atmosferycznego na stacji pomiarowej AM2 zlokalizowanej w Gdańsku.

(30)

30

Fot. 3 Widok z boku 5 mierników do pomiaru jakości powietrza atmosferycznego na stacji pomiarowej AM2 zlokalizowanej w Gdańsku.

Fot. 4 Widok z oddali 5 mierników do pomiaru jakości powietrza atmosferycznego na stacji pomiarowej AM2 zlokalizowanej w Gdańsku.

(31)

31

Fot. 5 Widok ogólny 5 mierników do pomiaru jakości powietrza atmosferycznego na stacji pomiarowej AM2 zlokalizowanej w Gdańsku. Rutynowa kontrola i przegląd.

2.3.2 Wyniki

W Tabeli 6 przedstawiono podstawowe dane informacje nt.:

- rodzaju matrycy czujnikowej, - rodzaju pomiaru,

- % uzyskanych danych.

Tabela. 6 Dane informacyjne % uzyskanych danych pomiarowych z poszczególnych matryc czujnikowych i poszczególnych czujników chemicznych.

NO2-B43F Czujnik NO2

NO-B4 Czujnik NO

PID-AH2 Czujnik LZO

SDS021 Czujnik PM10/PM2,5

Matryca 1 99,0% 99,4% 98,0% 96,5%

Matryca 2 98,0% 99,0% 98,0% 97,0%

Matryca 3 99,2% 98,4% 97,7% 97,6%

Matryca 4 99,0% 99,0% 97,2% 97,5%

Matryca 5 98,5% 99,0% 96,8% 97,2%

Średnia 98,7% 99,0% 97,5% 97,2%

Średnia wartość kompletności uzyskanych wyników wynosiła dla wszystkich matryc czujnikowych ok. 98 % i znacznie przekracza założoną wartość 90% stawianą w:

(32)

32

DYREKTYWIE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY 2008/50/WE z dnia 21 maja 2008 r. w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy.

2.3.3 Podsumowanie Etapu III

Na podstawie badań terenowych w celu określenia stabilności pomiarowej matryc czujnikowych oraz wiarygodności uzyskiwanych wyników w zmiennych warunkach atmosferycznych zaobserwowano:

a) średnia kompletność uzyskiwanych wyników z czujnika NO2 wynosiła 98,7%, b) średnia kompletność uzyskiwanych wyników z czujnika NO wynosiła 99,0%, c) średnia kompletność uzyskiwanych wyników z czujnika LZO wynosiła 97,5%, d) średnia kompletność uzyskiwanych wyników z czujnika pyłu wynosiła 97,2%,

2.4 Etap 4 - Przeprowadzenie testów porównawczych z metodami odniesienia w celu określenia jakości uzyskiwanych wyników pomiarowych.

Dnia 11-01-2019 zlecono Zakładowi Ochrony Powietrza Instytutu Podstaw Inżynierii Środowiska PAN mieszczącego się w Zabrzu przeprowadzenie testów terenowych w dniach od 14.02.2019 do 28.02.2019 w celu określenia stabilności pomiarowej matryc czujnikowych oraz wiarygodności uzyskiwanych wyników w zmiennych warunkach atmosferycznych, co było przedmiotem realizacji etapu III. Natomiast w dniach od 01.03.2019 do 31.08.2019 r zlecono Zakładowi Ochrony Powietrza Instytutu Podstaw Inżynierii Środowiska PAN mieszczącego się w Zabrzu przeprowadzenie testów porównawczych z metodami odniesienia w celu określenia jakości uzyskiwanych wyników pomiarowych, co było przedmiotem realizacji etapu IV.

2.4.1 Praca mierników na stacji pomiarowej AM2 w Gdańsku

W okresie od 01-03-2019 do 31-08-2019 przeprowadzono testy porównawcze z metodami odniesienia w celu określenia jakości uzyskiwanych wyników pomiarowych. Na fotografiach 6-8 przedstawiono zamontowane mierniki do pomiaru jakości powietrza atmosferycznego na stacji pomiarowej AM2 będącej elementem sieci pomiarowej Fundacji ARMAAG.

(33)

33

Fot. 6 Widok ogólny stacji pomiarowej AM2 zlokalizowanej w Gdańsku.

Fot. 7 Widok ogólny 5 mierników do pomiaru jakości powietrza atmosferycznego na stacji pomiarowej AM2 zlokalizowanej w Gdańsku.

(34)

34

Fot. 8 Widok z boku 5 mierników do pomiaru jakości powietrza atmosferycznego na stacji pomiarowej AM2 zlokalizowanej w Gdańsku.

2.4.2 Wyniki

W Tabeli 7 przedstawiono podstawowe informacje nt.:

- średniego stężenia w okresie pomiarowym,

- maksymalnego stężenia 24h w okresie pomiarowym , - minimalnego stężenia 24h w okresie pomiarowym.

Tabela. 7 Dane informacyjne nt. średniego stężenia wyrażonego w μg/m³ poszczególnych komponentów powietrza atmosferycznego w okresie pomiarowym od 01.03.2019 do 31.08.2019 r. uzyskane z poszczególnych matryc czujnikowych i poszczególnych czujników chemicznych.

NO2-B43F Czujnik NO2

NO-B4 Czujnik NO

PID-AH2 Czujnik LZO

SDS021 Czujnik PM10/PM2,5 Matryca 1

13,6 max. 52,2

min. 3,3

3,0 max. 20,6

min. 0,1

0,9 max. 4,5

min. 0,3

30,2 max. 276,7

min. 3,4

Matryca 2 13,1

max.55,4

3,0 max. 24,3

1,0 max. 6,1

30,5 max. 343,1

(35)

35

min. 2,5 min. 0,1 min. 0,2 min. 2,3

Matryca 3

13,1 max. 39,8

min. 2,4

3,0 max. 18,0

min. 0,1

1,0 max. 4,8

min. 0,2

28,6 max. 235,2

min. 2,4 Matryca 4

13,3 max.51,2

min. 2,2

3,0 max. 19,2

min. 0,1

1,0 max. 6,0

min. 0,2

29,2 max. 268,9

min. 2,8 Matryca 5

13,4 max. 40,2

min. 2,2

2,9 max. 17,1

min. 0,2

1,0 max. 4,4

min. 0,2

30,6 max. 337,5

min. 2,9 Pomiar

referencyjny

13,5 max. 39,2

min. 4,3

2,9 max. 13,5

min. 0,5

1,0 max. 3,9

min. 0,7

29,8 max. 241,6

min. 4,8

Celem oszacowania jakości uzyskanych wyników z matryc czujnikowych posłużono się określeniem błędu względnego średnich wartości stężeń w okresie pomiarowym. Wartość błędu względnego oblicza się za pomocą znajomości wartości średniej arytmetycznej dla danego przyrządu pomiarowego. Przyjęto, że poziom błędu względnego wyznaczony dla średnich arytmetycznych dla matryc czujnikowych i pomiarów referencyjnych będzie wpływał na wzajemne określenie zmienności jakości uzyskiwanych wyników zgodnie z poniższym schematem:

 < 25 % – mała zmienność,

 (25%; 45%) – przeciętna zmienność,

 (45%; 100%) – silna zmienność,

 >100%- bardzo silna zmienność.

Im niższa będzie wartość błędu względnego tym lepsza była jakość uzyskiwanych wyników za pomocą matryc czujnikowych.

W tabeli 8 przedstawiono porównanie błędu względnego z uzyskanych wyników poszczególnych matryc czujnikowych względem pomiarów referencyjnych.

Tabela. 8 Porównanie błędu względnego z uzyskanych wyników poszczególnych matryc czujnikowych względem pomiarów referencyjnych.

NO-B4 Czujnik NO

PID-AH2 Czujnik LZO

SDS021 Czujnik PM10/PM2,5

Matryca 1 0,4% 4,5% 4,4% 1,2%

Matryca 2 3,4% 3,5% 3,3% 2,2%

Matryca 3 2,9% 2,7% 4,4% 4,2%

(36)

36

Matryca 4 1,6% 2,4% 3,5% 2,0%

Matryca 5 0,5% 0,8% 4,4% 2,7%

2.4.3 Podsumowanie Etapu IV

Na podstawie przeprowadzonych testów porównawczych z metodami odniesienia w celu określenia jakości uzyskiwanych wyników pomiarowych zaobserwowano:

a) średni błąd względny uzyskanych wyników z poszczególnych matryc czujnikowych względem pomiarów referencyjnych wynosił od

0,4% do 4,5%

b) trend zmian stężenia w czasie zmierzony za pomocą poszczególnych czujników był identyczny z trendem zmian stężenia w czasie zmierzony za pomocą metody referencyjnej.

2.5 Etap 5 - Zaprojektowanie i zbudowanie testowej lokalnej sieci monitoringu z wykorzystaniem matryc czujnikowych, dedykowanej dla wybranych punktów pomiarowych

Na podstawie zapytania ofertowego z dnia 18-12-2019 dotyczącego zaprojektowania, budowy i serwisowania testowej sieci monitoringu z wykorzystaniem matryc czujnikowych otrzymano 3 oferty, gdzie najkorzystniejszą okazała się oferta złożona przez firmę: Syscom Service Sp. z o.o. ul. Dolne Migowo 16 E, 80-282 Gdańsk. Dnia 03-01-2020 r zlecono tej firmie zrealizowanie zamówienia nr 181/WCh/2020. Realizację zamówienia podzielono na dwa etapy:

1. zaprojektowanie i budowa sieci monitoringu do 20-02-2020 r, 2. serwisowanie powstałej sieci do końca 30-06-2020 r.

Kolejnym krokiem do utworzenia lokalnej sieci monitoringu jakości powietrza było znalezienie na terenie Aglomeracji Trójmiejskiej miejsca gdzie można by było przetestować zaprojektowaną i zbudowaną sieć. Dnia 22-04-2020 r zostało podpisane porozumienie pomiędzy Gminą Miasta Gdynia reprezentowaną przez wiceprezydenta Miasta Gdyni Pana Marka Łucyka a Politechniką Gdańską reprezentowaną przez Dziekana Wydziału Chemicznego prof. dr hab. inż. Agatę Kot-Wasik (porozumienie zostało dodane jako załącznik do raportu 5). W ramach tego porozumienia Gmina Miasta Gdynia zgodziła się na przetestowanie zaprojektowanej i zbudowanej sieci monitoringu jakości powietrza atmosferycznego. Porozumienie zostało zawarte na okres od 22-04-2020 do 30-06-2020 r. Na podstawie tego porozumienia wybrano 4 lokalizacje na terenie miasta Gdynia:

(37)

37

1. Gdynia ul. Władysława IV (okolice SKM - Wzgórze Św. Maksymiliana) 2. Gdynia skrzyżowanie ul. Władysława IV/ul. Armii Krajowej

3. Gdynia Dworzec PKP ul. Dworcowa

4. Gdynia ul. Świętojańska/ Skwer Kościuszki.

Wymienione lokalizacje zostały przedstawione na mapie interaktywnej powstałej na potrzeby realizacji projektu i zaczerpnięte ze strony www. testy.powietrze.gdynia.pl

Mapa 1. Rozmieszczenie na terenie miasta Gdynia 4 mierników stanowiących elementy sieci monitoringu jakości powietrza atmosferycznego

2.5.1 Wyniki

2.5.1.1 Miernik - lokalizacja ul. Władysława IV (okolice SKM - Wzgórze Św. Maksymiliana) Pierwszy miernik zainstalowany był na ul. Władysława IV (okolice SKM - Wzgórze Św. Maksymiliana), na fotografiach 9 i 10 przedstawiono zamontowanie miernika przeznaczonego do monitoringu jakości powietrza atmosferycznego

(38)

38

Fot. 9 Widok zamontowanego miernika na słupie informacyjnym znajdującym się na ul.

Władysława IV (okolice SKM - Wzgórze Św. Maksymiliana)

Fot. 10 Widok z boku zamontowanego miernika na słupie informacyjnym znajdującym się na ul. Władysława IV (okolice SKM - Wzgórze Św. Maksymiliana)

(39)

39

2.5.1.2 Miernik - lokalizacja skrzyżowanie ul. Władysława IV/ul. Armii Krajowej

Drugi miernik zainstalowany był na skrzyżowaniu ul. Władysława IV i ul. Armii Krajowej, na fotografiach 11 i 12 przedstawiono zamontowanie miernika przeznaczonego do monitoringu jakości powietrza atmosferycznego.

Fot. 11 Widok zamontowanego miernika na słupie informacyjnym znajdującym się w okolicy skrzyżowania ul. Władysława IV i ul. Armii Krajowej

Fot. 12 Widok z boku zamontowanego miernika na słupie informacyjnym znajdującym się w okolicy skrzyżowania ul. Władysława IV i ul. Armii Krajowej

(40)

40

2.5.1.3 Miernik - lokalizacja Dworzec PKP ul. Dworcowa

Trzeci miernik zainstalowany był w okolicach Dworca PKP, ul. Dworcowa, na fotografiach 13 i 14 przedstawiono zamontowanie miernika przeznaczonego do monitoringu jakości powietrza atmosferycznego.

Fot. 13 Widok zamontowanego miernika na słupie informacyjnym znajdującym się w okolicy Dworca PKP, ul. Dworcowa

Fot. 14 Widok z boku zamontowanego miernika na słupie informacyjnym znajdującym się w okolicy Dworca PKP, ul. Dworcowa

(41)

41

2.5.1.4 Miernik - lokalizacja ul. Świętojańska/Skwer Kościuszki

Czwarty miernik zainstalowany był w okolicach skrzyżowania ul. Świętojańskiej i Skweru Kościuszki, na fotografiach 15 i 16 przedstawiono zamontowanie miernika przeznaczonego do monitoringu jakości powietrza atmosferycznego. Pomiar był przeprowadzony tylko do 23-06-2020 r. z powodu wystąpienia awarii w przesyłaniu danych z poszczególnych czujników.

Fot. 15 Widok zamontowanego miernika na słupie informacyjnym znajdującym się w okolicy skrzyżowania ul. Świętojańskiej i Skweru Kościuszki

Fot. 16 Widok z boku zamontowanego miernika na słupie informacyjnym znajdującym się w okolicy skrzyżowania ul. Świętojańskiej i Skweru Kościuszki

(42)

42 2.5.2 Podsumowanie Etapu V

W Tabeli 9, zebrano informacje nt. poziomu stężeń mierzonych zanieczyszczeń LZO (benzen), NO, NO₂, PM10 w okresie prowadzonych badań oraz porównano uzyskane wyniki z wartościami dopuszczalnymi oraz z wartościami alarmowymi.

Tabela 9. Poziomy stężeń uzyskane w okresie testowania sieci monitoringu jakości powietrza na terenie miasta Gdynia

Lokalizacja

LZO (benzen)

[μg/m³]

NO [μg/m³]

NO2 [μg/m³]

PM10 [μg/m³]

Wartość stężenia dopuszczalna

[μg/m³]

Wartość stężenia alarmowa

[μg/m³]

ul. Władysława IV - okolice

SKM

średnia 1h - 0,4 max. 1h - 2,0

średnia 1h - 5,6 max. 1h -

33,6

65,3

52,7 Benzen (rok) - 5,0 NO (rok) - 30,0

NO2 (1h) - 200,0 NO2 (rok) --

40,0 PM10 (rok) - 40

PM10 (24h) - 50

NO2 (1h) - 400 PM10 (24h) -

150 Skrzyżowanie ul.

Władysława IV/ul. Armii Krajowej

64,5

67,0

51,0

Dworzec PKP/

ul. Dworcowa

38,5

141,6

47,3 Skrzyżowanie ul.

Świętojańska/

Skwer Kościuszki

66,8

59,5

50,3

Na podstawie informacji zawartych w Tabeli 9, nie zaobserwowano przekroczeń wartości stężeń dopuszczalnych oraz wartości stężeń alarmowych. Zaprojektowana i zbudowana sieć monitoringu jakości powietrza atmosferycznego została przetestowana na terenie miasta Gdynia co było celem etapu 5 i wykazano, że zastosowanie matryc czujnikowych może być przedmiotem wdrożenia do praktyki pomiarowej jako narzędzi wskaźnikowych, czyli takich które są w stanie wykryć epizody wysokich stężeń zanieczyszczeń powietrza. Proponowana jest dalsza eksploatacja sieci celem obserwowania jej funkcjonowania, stabilności pracy oraz jakości uzyskiwanych wyników (w zakresie wysokich stężeń) porównywalnych z wynikami uzyskanymi z urządzeń referencyjnych.

(43)

43 2.6 Podsumowanie i wnioski z realizacji projektu

Na podstawie zawartego porozumienia z dnia 22-04-2020 r. pomiędzy Politechnika Gdańską a Gminą Miasta Gdyni, strony zobowiązały się do pilotażowego przeprowadzenia badań jakości powietrza atmosferycznego pod kątem zanieczyszczeń spowodowanych emisją z transportu drogowego. W tym celu przeprowadzono dodatkowe badania w okresie od 1 lipca 2020 r do 8 października 2020 r., tak więc całkowity okres funkcjonowania testowej sieci monitoringu obejmował okres od 22-04-2020r do 08-10-2020r.

Ocena jakości uzyskanych wyników za pomocą wymienionych mierników została dokonana poprzez porównanie z wynikami uzyskanymi ze stacji referencyjnej Fundacji ARMAAG zlokalizowanej na terenie Miasta Gdynia przy ul. Szafranowej i oznaczonej jako AM9. Wybór tej stacji podyktowany był kilkoma względami takim jak: porównywalny charakter pomiarów, reprezentatywność, wpływ transportu drogowego, brak dodatkowej emisji w postaci zanieczyszczeń przemysłowych. Ponadto w porównaniu wyników uwzględniono tylko takie zanieczyszczenia jak: PM10 i NO2. W przypadku LZO, Fundacja ARMAAG nie prowadzi badań na terenie Miasta Gdynia, natomiast w przypadku NO nie ma takich zaleceń obligatoryjnych aby prowadzić pomiary. Jedynie, zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Ochrony Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 r. (Dz. U. 2012, poz. 1031) określono poziomy dopuszczalne do NOx (tlenki azotu, traktowane jako suma NO i NO2) w powietrzu ze względu na ochronę roślin.

2.6.1 Wyniki z przeprowadzonych badań

W Tabeli 10 zamieszczone podstawowe informacje na temat przeprowadzonych pomiarów w okresie od 22-04-2020 r do 08-10-2020 r., uwzględniając średnie stężenie 1 h zanieczyszczeń, maksymalne stężenie 1 h , ilość uzyskanych wyników (uzysk danych).

Tabela 10. Poziomy stężeń uzyskane oraz uzysk danych w okresie testowania sieci monitoringu jakości powietrza na terenie miasta Gdynia

Lokalizacja NO2

[μg/m³]

PM10 [μg/m³]

Wartość stężenia dopuszczalna

[μg/m³]

Wartość stężenia alarmowa

[μg/m³]

ul. Władysława IV - okolice SKM

średnia 1h - 9,5 max. 1h - 65 uzysk danych -

96,2%

średnia 1h - 16,4 max. 1h - 52,7 uzysk danych -

96,2%

NO2 (1h) - 200,0 NO2 (rok) -- 40,0 PM10 (rok) - 40 PM10 (24h) - 50

NO2 (1h) - 400 PM10 (24h) -150

(44)

44 Skrzyżowanie ul.

Władysława IV/ul.

Armii Krajowej

99,6%

98,3%

Dworzec PKP/ ul.

Dworcowa

średnia 1h - 12,8 max. 1h - 152,7

uzysk danych - 98,5%

98,5%

Stacja referencyjna Fundacji ARMAAG

97,9%

99,5%

Na podstawie zaprezentowanych informacji w Tabeli 10, wynika, że w okresie testowania sieci monitoringu jakości powietrza nie zostały przekroczone wartości dopuszczalne oraz wartości alarmowe. Wynikać to mogło z wielu przyczyn takich jak: warunki pogodowe, łagodne temperatury, odpowiednie przewietrzenie korytarzy transportu drogowego, mniejsza intensyfikacja ruchu drogowego, sytuacja epidemiologiczna (brak nadmiernej ilości turystów).

Oceniając jednak wartość uzyskanych wyników z mierników z zainstalowanymi czujnikami w stosunku do wyników uzyskanych za pomocą pomiarów referencyjnych należałoby skorzystać z odpowiednich narzędzi statystycznych określających niepewność pomiarową czujników w stosunku do metody referencyjnej. Jednym z odpowiednich narzędzi do sprawdzenia wyżej opisanej niepewności pomiarowej jest unijny przewodnik:

„Demonstration of Equivalence of Ambient Air Monitoring Methods. EC Working Group on Guidance for the Demonstration of Equivalence, 2012”. Prawidłowe określenie niepewności pomiarowej wymaga jednak, aby pomiary za pomocą miernika i metody referencyjnej były prowadzone równolegle w bezpośredniej bliskości względem siebie czyli w trybie "side by side" celem wyeliminowania fluktuacji stężenia zanieczyszczenia spowodowanego czynnikami zewnętrznymi. Taka sytuacja niestety nie miała miejsca, dlatego nie można skorzystać z tego narzędzia statystycznego. Proponowanym rozwiązaniem jest zastosowanie indeksów jakości powietrza. Indeks jakości powietrza opiera się na zakresach stężeń które arbitralnie zostały przyjęta jako wartości określające jakość powietrza od poziomu bardzo dobrego do poziomu bardzo złego. W Tabeli 11 zgodnie z zaleceniami Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska (GIOŚ) zostały przedstawione zakresy stężeń i przypisane im indeksy jakości powietrza.

(45)

45

Tabela 11. Indeks jakości powietrza opracowany przez GIOŚ

Indeks jakości powietrza NO2

[μg/m³]

PM10 [μg/m³]

Bardzo dobry 0-41 0-21

Dobry 41,1-101 21,1-61

Umiarkowany 101,1-151 61,1-101

Dostateczny 151,1-201 101.1-141

Zły 201,1-401 141.1-201

Bardzo zły > 401 > 201

Ponieważ jakość uzyskiwanych wyników z czujników zostanie tu oceniona w sposób jakościowy, czyli poprzez porównanie indeksów jakości powietrza uzyskanych w danej godzinie pomiarowej z czujnika i metody referencyjnej oraz uwzględniając informacje zawarte w Tabeli 10, gdzie można zauważyć, że średnie stężenia NO2 i PM10 w obrębie mierników znacząco się nie różnią, postanowiono wybrać jeden miernik do dalszej oceny jakości uzyskiwanych wyników. W drodze losowania wybrano miernik zlokalizowany przy ul. ul. Władysława IV (okolice SKM - Wzgórze Św. Maksymiliana).

2.6.2 Indeks jakości powietrza i ocena jakości uzyskiwanych wyników za pomocą mierników W Tabeli 12 przedstawiono indeksy jakości powietrza oszacowane za pomocą wyników uzyskanych z mierników i metody referencyjnej. Na tej podstawie określono ilość godzin gdzie indeks jakości powietrza był określony jako: bardzo dobry, dobry, umiarkowany, dostateczny, zły i bardzo zły. Pozyskane informacje posłużyły do określenia ilości godzin gdzie indeksy jakości powietrza zgadzały się zarówno oszacowane z wyników pozyskanych z miernika jak i z metody referencyjnej. Na tej podstawie określono procent zgodności indeksów jakości powietrza.

Tabela 12. Indeksy jakości powietrza określone dla wyników uzyskanych z miernika i metody referencyjnej

Indeks jakości powietrza NO2

[ilość godzin]

PM10 [ilość godzin]

Bardzo dobry Miernik - 3676

Metoda referencyjna - 3324

Miernik - 2863 Metoda referencyjna - 3119

Dobry Miernik - 43

Umiarkowany Miernik - 0

(46)

46

Dostateczny Miernik - 0

Zły Miernik - 0

Bardzo zły Miernik - 0

Ilość godzin Miernik - 3719

Miernik - 3719 Metoda referencyjna - 3845 Procent zgodności indeksów

jakości powietrza

81,6 % 73,1 %

2.6.3 Końcowe wnioski

Na podstawie przeprowadzonych badań i przy założeniach jakie zostały określone w projekcie: „Wdrożenie do praktyki matryc czujnikowych jako narzędzi wskaźnikowych do monitoringu jakości powietrza na terenie aglomeracji trójmiejskiej”, Nr umowy WFOŚ/D/201/19/2018 realizowanym przez Politechnikę Gdańską a finansowanym przez Wojewódzki Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, można stwierdzić:

 zaproponowane rozwiązanie konstrukcyjne w postaci miernika wieloczujnikowego do monitorowania jakości powietrza spełniło zakładane założenia

 mierniki wyposażone w czujniki chemiczne mogą być narzędziem wskaźnikowym do oceny jakości powietrza

 losowo wybrany miernik wykazywał zgodność indeksu jakości powietrza z metodą referencyjną w 81,6% w przypadku pomiaru NO2 i 73,1% w przypadku PM10.

Reasumując, przeprowadzone badania sieci monitoringu obejmowały okres tylko 5 miesięcy, dodatkowo w tym okresie stężenia zanieczyszczeń nie były zbyt wysokie, aby kompleksowo ocenić użyteczność zaprojektowanych mierników należałoby przeprowadzić badania w dłuższej skali czasowej z uwzględnieniem różnych pór roku a dodatkowo mierniki powinny być bezpośrednio zlokalizowane przy stacji referencyjnej. W ten sposób pozyskane dane mogą w wystarczającym stopniu doprowadzić do oceny wartości użytkowej zaproponowanych mierników. Jednakże, tylko na podstawie tych badań można wnioskować o zadawalającym efekcie. Uzyskanie ponad 70% zgodności indeksów jakości powietrza jest wynikiem obiecującym i w pełni satysfakcjonującym jeżeli chodzi o narzędzia pomiarowe mające za zadanie spełnić wymóg pomiarów wskaźnikowych.

(47)

47 2.7 Upowszechnianie wyników

2.7.1 Zgłoszenie wystąpienia na konferencji POL-EMIS

W trakcie realizacji projektu, uzyskane wyniki miały zostać przedstawione na konferencji XV Konferencja Naukowa POL-EMIS 2020 - Aktualne trendy w ochronie powietrza i klimatu - kontrola, monitoring, prognozowanie i ograniczanie emisji Która pierwotnie miała się odbyć w czerwcu 2020 r we Wrocławiu, jednak ze względu na sytuacje epidemiologiczną termin konferencji był wielokrotnie przesuwany i obecnie jest planowany na 29–31.03.2021 r. Link do tej konferencji przedstawiono tu: http://pol- emis.pwr.edu.pl/.

Poniżej znajduje sie abstrakt zgłoszony na ta konferencję, który został zaakceptowany i zostanie zamieszczony w monografii konferencyjnej.

Bartosz SZULCZYŃSKI*, Jacek GĘBICKI*

* Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej, ul. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk.

LOKALNA SIEĆ TANICH MATRYC CZUJNIKOWYCH DO

MONITOROWANIA ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA AGLOMERACJI TRÓJMIEJSKIEJ

W aglomeracjach o dużej gęstości zaludnienia wymagane jest, aby w sposób stały, obiektywny oraz z odpowiednią ilością punktów pomiarowych prowadzić monitoring jakości powietrza. Unia Europejska ustanowiła wymagania co do dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym i zobowiązała kraje członkowskie do podejmowania skutecznych działań w razie przekraczania dopuszczalnych wartości. Podstawą określenia działań mających na celu redukcję poziomu zanieczyszczeń powietrza jest prowadzenie monitoringu jakości powietrza. W ten sposób ustawodawstwo prawne narzuca konieczność obiektywnego pomiaru stężenia zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym. Zastosowanie odpowiedniej ilości analizatorów automatycznych spełniających wymogi metody odniesienia wiąże się z wysokimi kosztami prowadzenia takiego monitoringu. Jednym z alternatywnych rozwiązań może być zastosowanie niskokosztowych czujników chemicznych w postaci matryc czujnikowych do oznaczania takich zanieczyszczeń jak NOx (NO i NO2), lotne związki organiczne (LZO) oraz pył zawieszony PM10/PM2,5. Użycie takich narzędzi jak matryce czujnikowe byłoby wsparciem obecnie istniejącej sieci monitoringu w Aglomeracji Trójmiejskiej, a poprzez dodatkowe pomiary wskaźnikowe możliwe byłoby informowanie lokalnych społeczności o możliwości pojawienia się takich niekorzystnych zjawisk jak:

smog fotochemiczny, smog kwaśny czy lokalne przekroczenia alarmowych poziomów zanieczyszczeń powietrza. Z analizy danych literaturowych wynika, że rynek nie oferuje rozwiązań o takim zintegrowaniu i stopniu użyteczności [1-3]. Dostępne na rynku czujniki chemiczne charakteryzują się zróżnicowanymi parametrami metrologicznymi i jakością uzyskiwanych wyników, dopiero ich odpowiednie skonfigurowanie może zapewnić użyteczne narzędzie analityczne.

Zaproponowane rozwiązanie wpisuje się w strategię Regionalnego Programu Strategicznego w zakresie dbałości o jakość środowiska w Województwie Pomorskim. Ponadto wdrożenie matryc czujnikowych jako

(48)

48

narzędzi wskaźnikowych do monitoringu jakości powietrza na terenie Aglomeracji Trójmiejskiej, mogłoby w przyszłości przyczynić się do wprowadzenia do praktyki takich rozwiązań w innych gminach i powiatach Województwa Pomorskiego, gdzie nie są prowadzone pomiary i brak jest informacji o poziomie stężeń komponentów zanieczyszczających powietrze, a w przyszłości również w innych regionach kraju.

W pracy przedstawiono wykorzystanie matryc czujnikowych zbudowanych z czujników NOx, LZO, PM10 jako potencjalnych narzędzi wskaźnikowych do monitoringu jakości powietrza na terenie Aglomeracji Trójmiejskiej. W okresie od marca do sierpnia 2019 r. przeprowadzono testy porównawcze z metodami odniesienia w celu określenia jakości uzyskiwanych wyników pomiarowych. Na podstawie przeprowadzonych testów porównawczych zaobserwowano:

a) że wszystkie czujniki charakteryzują się dokładnością pomiarową na poziomie < ± 50% względem danej metody odniesienia,

b) trend zmian stężenia w czasie zmierzony za pomocą poszczególnych czujników był identyczny z trendem zmian stężenia w czasie zmierzony za pomocą metody odniesienia.

c) graniczne spełnienie warunków dokładności pomiarowej na poziomie granicy oznaczalności (LOQ) poszczególnych czujników.

Związku z powyższym uznaje się, że matryce czujnikowe zbudowane z niskokosztowych czujników chemicznych (NOx, LZO) i optycznych (PM10) spełniają wymogi stawiane pomiarom wskaźnikowym oraz mogą być podstawą do zbudowania lokalnych sieci matryc czujnikowych na terenie Aglomeracji Trójmiejskiej.

Badania realizowane w ramach projektu: „Wdrożenie do praktyki matryc czujnikowych jako narzędzi wskaźnikowych do monitoringu jakości powietrza na terenie aglomeracji trójmiejskiej”, Nr umowy WFOŚ/D/201/19/2018.

LITERATURA

[1] SPINELLE L., GERBOLES M., KOK G., PERSIJN S., SAUERWALD T., Review of portable and low-cost sensors for the ambient air monitoring of benzene and other Volatile Organic Compounds, Snsors 2017, Vol. 17, 1520.

[2] SZULCZYŃSKI B., GĘBICKI J., Currently commercially available chemical sensors employed for detection of Volatile Organic Compounds in outdoor and indoor air, Environments 2017, Vol. 4, 21.

[3] CAPELLI L., SIRONI S., DEL ROSSO R., Electronic noses for environmental monitoring applications, Sensors 2014, Vol. 14, 19979-20007

2.7.2 Artykuł w czasopiśmie z listy JCR

Ponadto, planuje się przygotować artykuł (pierwsza połowa roku 2021) pt:

Jacek Gębicki, Bartosz Szulczyński, The use of low-cost sensors in the form of sensor arrays as indicator methods for monitoring the quality of atmospheric air, Science of Total Environmental.

2.7.3 Link potwierdzający realizację projektu dofinansowanego ze środków WFOŚiGW Poniżej link potwierdzający realizację projektu znajduje się na stronie domowej Katedry Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej: https://chem.pg.edu.pl/kipitch/wfos

(49)

49 2.8 Nawiązana współpraca

Zaprojektowana i zbudowana sieć monitoringu jakości powietrza atmosferycznego wymaga dalszego testowania i sprawdzania jakości uzyskiwanych wyników. Dlatego podjęto decyzję aby do dnia 07-01-2021 użyczyć bezpłatnie mierniki pomiarowe firmie TETABIT Sp. z o.o. z siedzibą 50-501 Wrocław, ul Hubska 89/1 wpisaną do Rejestru Przedsiębiorców Krajowego Rejestru Sądowego pod nr 0000382410, REGON: 060758061 NIP: 9462623131.

Firma ta deklarowała zainteresowanie wynikami realizowanego projektu, a ponadto na etapie aplikacji wniosku do konkursu został przedstawiony list intencyjny od tej firmy.