หลักการเก็บตวัอย่างสารอนิทรีย์ระเหยง่ายใน

บรรยากาศ ด้วยเทคนิค passive sampling

นางสาวเกศศินี อุนะพาํนัก

ส่วนคุณภาพอากาศในบรรยากาศ

สาํนักจัดการคุณภาพอากาศและเสียง

หลกัการเก็บตวัอยา่ง

ลักษณะจุดเกบ็ตัวอย่าง

รมิถนนหา่งจากขอบ

ถนนหลกั 1.5 เมตร

ที่พกัอาศยั

หา่งจากขอบถนนหลกั >15 ม.

สิง่กดีขวางตอ้งทาํมมุ < 30 องศา

อตุสาหกรรม

ทีโ่ลง่ใกลแ้หลง่อตุสาหกรรมทศิทางลม

ถงัเกบ็อากาศ (Canister)

15 ลติร 6 ลติร 3.2 ลติร 2.7 ลติร

ถงัสแตนเลส

ภายในเคลอืบ Fused Silica

6 ลติร

วาลว์ปรบัระดบั

ความดนั

ถังเกบ็อากาศ (canister)

อุปกรณ์ควบคุมอัตราการไหลของอากาศ

(passive flow controller)

ควบคุมอัตราการ

ไหลให้คงที่

ครอบคลุมช่วงเวลาในการเกบ็ตัวอย่าง

อากาศ

เครือ่งวดัอตัราการไหลของอากาศ(Mass Flow Meter)

อุปกรณ์อ่ืนๆ

อปุกรณ์ป้องกนัการร่ัวทีข่อ้ตอ่ของ

อปุกรณ์ควบคมุอตัราการไหลของอากาศ

(Graphite-vespel ferrules ¼” x ¼” ID)

ประแจปากตาย

กญุแจและโซ่

ขาตัง้ สงูไมน่อ้ยวา่ 1.5 เมตร

การเกบ็และวเิคราะห์สารอินทรีย์ระเหยง่ายในบรรยากาศ

ใชเ้ครือ่ง GC/MS วเิคราะหโ์ดยใช ้Compendium Method TO-14A Determination of Volatile Organic Compounds (VOCs) In Ambient Air Using Specially Prepared Canisters with Subsequent Analysis By Gas Chromatography เป็นวธิอีา้งองิ

ใชเ้ครือ่ง GC/MS วเิคราะหโ์ดยใช ้Compendium Method TO-15 Determination of Volatile Organic Compounds (VOCs) In Air Collected in Specially-Prepared Canisters And Analyzed By Gas Chromatography เป็นวธิอีา้งองิ

(ประกาศคณะกรรมการสิง่แวดลอ้มแหง่ชาต ิเรือ่ง มาตรฐานสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ยในบรรยากาศโดยท่ัวไปเฉลีย่รายปี)

วธีิการเกบ็สารอนิทรีย์ระเหยง่ายในบรรยากาศ

N2 Ar H2O

CO2

O2

VOCs

VOCsCO2 O2

N2 Ar H2O

• เก็บตวัอย่างด้วยถังเก็บตวัอย่างอากาศ (Canister)

• เก็บตวัอย่างต่อเน่ือง 24 ช่ัวโมง

อากาศ

ถังเกบ็ตัวอย่างอากาศ

การคาํนวณอัตราการไหลของอากาศ

F= (V-1) x 1000t x 60

เมื่อ F คอื อตัราการไหลของอากาศ (มลิลลิติร/นาท)ี V คอื ปรมิาตรถงัเก็บอากาศ (ลติร) t คอื ชว่งเวลาในการเก็บตวัอยา่ง (ชัว่โมง)

ตัวอยา่งการคํานวณ การเก็บตัวอยา่งอากาศ 24 ชัว่โมง ตอ้งใช ้ อตัราการไหลของอากาศ ดังนี้

F= (6-1) x 100024 x 60

= 3.47 มลิลลิติร/นาที

การเตรียมอุปกรณ์

ผ่านแก๊สไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์

99.99%2-3 นาที

การเตรียมถังเกบ็อากาศ

Evacuate & pressurize @ 70-90 ๐C ประมาณ 15

รอบ

ทดสอบการปนเป้ือนดว้ย

GC/MS

Evacuate ความดนั

เหลอื <50 mtorr

กลอ่งกนักระแทกระหวา่งขนสง่

Practice Canister

ตรวจสอบถัง

• ตรวจสอบการปนเป้ือน • ตอ่อปุกรณ์ควบคมุอตัราการไหล

เครือ่งวดัอตัราการไหล กบั practice canister

ทดสอบการร่ัว

• ปิดทอ่ทางเขา้ถัง แลว้เปิดและปิดวาวล์อยา่งรวดเร็ว 2-3 ครัง้ 2-3 นาที

• อา่นเกจวดัความดนัทีต่อ่กบัอปุกรณ์ควบคมุการไหล ตอ้งคงที่

ตรวจสอบอตัราการไหล

• นําสว่นนนําอากาศเขา้ตอ่กลบั เปิดวาลว์ถัง เปิดครือ่งวดัอตัราการไหล• ปรับอตัราการไหลบนอปุกรณ์ควบคมุอตัรากการไหล

(หมนุทวนเข็มนาฬกิาเพิม่อตัราการไหล)• ปิดวาลว์ถัง ถอดอปุกรณ์ควบคมุอตัราการไหล

ตรวจสอบการร่ัว&ปรับอัตราการไหล

ตรวจสอบการรัว้

• ตอ่อปุกรณ์ควบคมุการไหล• เปิดปิดวาลว์ถัง 3 ครัง้• ตรวจสอบเกจวดัความดนัทีอ่ปุกรณ์

ตดิตัง้ถัง

• ตดิตัง้ถังทีจ่ดุเก็บตวัอยา่ง• เปิดวาลว์• คลอ้งโซแ่ละกญุแจเพือ่ความปลอดภยั

บนัทกึขอ้มลู

• จดบนัทกึความดนัของถัง อณุหภมู ิความดนั และสภาวะแวดลอ้ม• ปิดวาลว์ ถอดอปุกรณ์ควบคมุอตัราการไหล ปิดปลายทอ่

(± 1 ชม. จาก 24 ชม.)

การคาํนวณอัตราการไหลแท้จริงของอากาศ

ความดันเริม่ตน้ -30 นิว้ปรอท ความดันสดุทา้ยคอื - 5 นิว้ปรอท

ดงันัน้ ปรมิาตรทัง้หมดของตวัอยา่งอากาศทีต่รวจวดั คอื

6000 x (30-5)/30 = 5000 มลิลเิมตร

• ถา้เก็บตวัอยา่งอากาศ 24 ชัว่โมง ดงันัน้ อตัราการไหลแทจ้รงิ คอื

= 5000/24 ชัว่โมง/60 นาที= 3.47 มลิลลิติร/นาที

ข้อพงึระวัง

อยา่เขา้ใกลส้ ิง่ทีก่อ่ใหเ้กดิการปนเป้ือน

ความแตกตา่งระหวา่งความดนัเริม่ตน้กบัสดุทา้ยจะเป็นคา่ของปรมิาตรอากาศในถังทีแ่ทจ้รงิ

เคลือ่นยา้ยถงัอยา่งระมดัระวงั ไมช่น ไมก่ระแทก

ควรม ีTravel Bank ไมก่วา่ 1 ตวัอยา่ง /batch

ควรม ีDuplicate sample อยา่งนอ้ย 1 ถังตอ่การเก็บตวัอยา่ง 1ชดุ

ข้อพงึระวัง

ไมค่วรฉีดน้ําหอม สเปย ์หรอื ยาดม

ปรับคา่อตัราการไหลของอปุกรณ์ควบคมุอตัราการไหล ในภาคสนาม

ตรวจสอบการร่ัวไหลของขอ้ตอ่

หลกีเลีย่งการปนเป้ือนของอปุกรณ์

หา้มสบูบหุรี่

ใชค้วามระมัดระวงัสงูในการเคลือ่นยา้ย

เทคนคิการเก็บตวัอยา่งสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ย

ในบรรยากาศโดยใชห้ลอดเก็บอากาศ

ดว้ยวธิ ีPassive Sampling

พัฒนาวธิเีก็บและวเิคราะหต์วัอยา่งสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ยในบรรยากาศสําหรับใชศ้กึษาผลกระทบตอ่สขุภาพอนามยั

ทางเลอืกในการตดิตามตรวจสอบปรมิาณสารอนิทรยี์ระเหยงา่ยในบรรยากาศสําหรับเปรยีบเทยีบเชงิพืน้ทีใ่นระยะยาว

Passive VOC Monitoringการตรวจวดัปรมิาณสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ยโดยใชห้ลกัการแพรก่ระจายของสาร

การแพรก่ระจายจากบรเิวณทีม่คีวามเขม้ขน้สงูไปยงัความเขม้ขน้ตํา่

สารอนิทรยีร์ะเหยงา่ยถกูดดูซบัดว้ยสารดดูซบัภายใตต้วัแปรทีเ่หมาะสม

ระยะเวลาทีใ่ชเ้ก็บตวัอยา่ง ชนดิของสารดดูซบั คา่คงทีใ่นการแพรก่ระจาย (diffusion coefficient) คณุสมบตัิของสารเคม ีความชืน้ ความดนับรรยากาศ และอณุหภมูิ http://www.sigmaaldrich.com

ระยะทางระหวา่งผวิสารดดูซบัและผวิของสารทีต่รวจวดั

พืน้ทีห่นา้ตดัขวางของอปุกรณ์เก็บตวัอยา่งทีใ่สส่ารดดูซบั

ระยะเวลาสมัผัส

คา่คงทีใ่นการแพรก่ระจาย (diffusion coefficient)

คา่ความเขม้ขน้ของปรมิาณสารในบรรยากาศ

Fick’s 1st law

http://www.sigmaaldrich.com

J : diffusion flux [(amount of substance) length−2 time−1],

ปรมิาณของสารซึง่แพรก่ระจายผา่นพืน้ทีใ่นชว่งเวลาเก็บตวัอยา่ง

D คอื diffusion coefficient [length2 time−1]

คา่คงทีก่ารแพรก่ระจายของสารแตล่ะชนดิ

C คอื concentration [(amount of substance) length−3]

ความเขม้ขน้ของสารทีถ่กูดดูซบั

Ζ is the position [length] ตําแหน่งการดดูซบั

J = -D δCδΖ

δm = DA [C-C0]δt Z

Concentration = mass of sampleUptake rate x Sampling time

Uptake rate carbopack B= 1.5814 x 7.5 x D(cm2/sec) – 0.3139

Where: U is the ideal uptake rate (mL/min)D is the diffusion coefficient through air of the vapour under study (cm2/sec)A is the cross sectional area of the sampling tube (cm2)

Z is the path length of the air gap (cm)

U = DAZ

δm = DA [C-C0]δt Z

DBA = 10-3 T1.75 √Mr / P(VA1/3 + VB

1/3)2

D คอื diffusion coefficient [length2 time−1]

หรอื คา่คงทีก่ารแพรก่ระจายของสารแตล่ะชนดิในบรรยากาศ

T คอื temperature หรอื อณุหภมู ิหน่วย องศาเคลวลิ

Mr คอื function of molecular weight

หรอื ความสมัพันธข์องน้ําหนักโมเลกลุสารแตล่ะชนดิและอากาศ

VB, VA คอื molar volume of air and the compound of interest

หรอื ปรมิาตรของโมเลกลุสารแตล่ะชนดิและอากาศ

P คอื pressure in atm หรอื ความดนับรรยากาศ หน่วย atm

FSG (The Fuller, Schettler and Giddings method)

ตรวจวดัปรมิาณสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ย

ใชไ้ดก้บัสารดดูซบัมากกวา่ 1 ชนดิ

ระยะเวลาเก็บตวัอยา่ง

◦ personal exposure 8 hr

◦ Ambient and indoor air exposure 1 - 4 weeks

Thermal Desorption Technique

Axial diffusive sampling on sorbent

sorbent

Gauze disk supporting the sorbent

Concentration gradient

Exposed end of the tube

Concentration of vapours in the environmentDiffusion distance

controlled to ± 1%

Radial diffusive sampler

Sorbent bed

Diffusion Diffusion

• ตรวจวดัปรมิาณสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ย

• ระยะเวลาเก็บตวัอยา่งสัน้ 30 นาท ี– 6 ชม.

– กระบวนการอตุสาหกรรม

– การจราจร

• Diffusion path สัน้

http://www.markes.com

Thermal Desorption Tube

หลอด stainless steel tube, ขนาดเสน้ผา่นศนูกลาง 1/4 นิ้ว (6 มม.)

ภายในบรรจสุารดดูซบัมากกวา่ 200 มลิลกิรัม(ความหนาแน่นและความยาว)

วเิคราะหโ์ดยใชค้วามรอ้นและกา๊ซเฉ่ือยนําพาสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ยออกจาก

สารดดูซบัผา่นไปสูเ๋ครือ่งวเิคราะหโ์ดยไมต่อ้งใชส้ารละลาย

http://www.markes.com

การเลอืกชนดิของสารดดูซบัสารเป้าหมาย

อณุหภมูิ

จดุเดอืด

พืน้ทีผ่วิ

โครงสรา้งโมเลกลุ

ความคงทนของสารดดูซบัPassive badge

Thermal Desorption tube

Sample tube Sorbent Approx analytevolatility range

Max temp(°C)

Specific Surface Area

(m2/g)Example analytes

Carbotrap C™ Carbopack C™ Carbograph 2TD™

n-C8 to n-C20 >400 12 Alkyl benzenes and aliphatics ranging in volatility fromn-C8 to n-C16. Do not use for monoterpenes

Tenax TA™ bp 100° to 400°

n-C7 to n-C26

350° 35 Aromatics except benzene. Apolar components (bp>100°C) andless volatile polar components (bp>150°C). Suitable for monoterpenes

Tenax GR™ bp 100° to 400°

n-C7 to n-C26

350 35 Alkyl benzenes, vapor phase PAHs & PCBs and as above for Tenax TA. Do not use for monoterpenes

Carbotrap™ Carbopack B™ Carbograph 1TD™

n-C4/5 to n-C14 >400 100 Wide range of VOCs inc., ketones, alcohols, and aldehydes(bp>75°C) and all apolar compounds within the volatility rangespecified. Perfluorocarbon tracer gases. Do not use for monoterpenes

Chromosorb 102™ bp 50 ° to 200° 250 750 Suits a wide range of VOCs incl. oxygenated cpds & haloformsless volatile than methylene chloride. Do not use for monoterpenes

Chromosorb 106™ bp 50° to 200° 250 750 Suits a wide range of VOCs incl. h/c from n-C5 to n-C12. Also good for volatile oxygenated cpds. Do not use for monoterpenes.

Porapak Q™ bp 50° to 200°

n-C5 to n-C12

250 550 Suits a wide range of VOCs including oxygenated compounds. Do not use for monoterpenes

Porapak N™ bp 50° to 150°

n-C5 to n-C8

180 300 Use for volatile nitriles; acrylonitrile, acetonitrile, propionitrile. Also for pyridine, & volatile alcohols EtOH, MEK, etc.

Spherocarb™ UniCarb™ -30° to 150°

C3 to n-C8

>400 1200 Good for very volatile compounds such as VCM, ethylene oxide, CS2 and CH2Cl2.

Also good for volatile polars e.g. MeOH, EtOH & acetone.

Carbosieve SIII™* Carboxen 1000™*

-60° to 80° >400 800 Good for ultra volatile compounds such as C3 & C4 hydrocarbons, volatile haloforms and freons

Charcoal* [Do not use unless no

alternative]

-80° to 50° >400 >1000 Rarely used for TD because metal content may catalyze analyte degradation. Use with care for ultra volatile (C2)C3/4 hydrocarbons

เทคนคิการเก็บตวัอยา่ง ใชเ้ก็บตวัอยา่งสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ยใน

บรรยากาศ

ควรมอีปุกรณ์ป้องกนัสภาพอากาศแปรปรวน

สถานทีต่ดิตัง้ควรมกีารถา่ยเทอากาศทีด่ี

ตดิตัง้หลอดเก็บอากาศในลกัษณะแขวนตาม

ความยาวของหลอด ใหป้ลายดา้นทีต่วัอยา่ง

เขา้อยูด่า้นลา่ง

ตอ้งทําการปรับสภาพหลอดพรอ้มใชง้านกอ่น

ตดิตัง้

เทคนคิการเก็บตวัอยา่ง

ควรปลอ่ยใหห้ลอดสมัผัสอณุภมูบิรเิวณ

สถานทีต่ดิตัง้ กอ่นเปิดปลายหลอดและ

เปลีย่นเป็นฝาปิดสําหรับเก็บอากาศ

(diffusive cap)

ไมเ่ปิดฝาดา้นทีไ่มใ่ชเ้ก็บตวัอยา่ง

ใชถ้งุมอืทกุครัง้ทีส่มัผัสหลอดเก็บตวัอยา่ง

ควรม ีfield blank, duplicate tube

ปิดปลายหลอดใหแ้น่นกอ่นสง่วเิคราะห์

ปจัจยัแวดลอ้ม

อณุหภมู ิ

ความดนับรรยากาศ

ความชืน้

ความเร็วลม

<20 กม.ตอ่ชม.

ปรมิาณฝุ่ น

การนําไปใช้

การตดิตามตรวจสอบปรมิาณสารอนิทรยีร์ะเหยงา่ยในบรรยากาศที่อาจจะมผีลกระทบตอ่สขุภาพอนามยั

การเก็บและรกัษาสภาพตวัอยา่งไม่ซบัซอ้น

มคีา่ใชจ้า่ยและระยะเวลาในการวเิคราะหไ์มส่งู

เพิม่ความถีใ่นการเก็บตวัอยา่งได้

ระยะเวลาการเก็บตวัอยา่งอากาศนาน