Atmospheric Monitoring of Volatile Organic Compounds Using Programmed Temperature Vaporization Injection

Význam tématu

V atmosféře přítomné těkavé organické látky (VOC) ovlivňují kvalitu ovzduší, přispívají k tvorbě fotochemického ozónu, mají zdravotní dopady a podílejí se na globálních změnách. Spolehlivý a citlivý monitoring VOC je klíčový pro městské i venkovské prostředí, zejména pro reaktivní sloučeniny jako isopren s krátkou dobou života.

Cíle a přehled studie

Tato práce představuje online metodu automatické analýzy VOC řazené do rozsahů C2–C6 a C5–ClO v městském i venkovském ovzduší. Klíčovým cílem bylo zjednodušit detekci potlačením potřeby mezikrokového kryogenního zaostřování, zvýšit průběžnost analýz a umožnit nepřetržitý provoz i v terénu. Aplikace zahrnují stanovení aromatických VOC v městském ovzduší a biogenních emisí v lesním komplexu.

Použitá metodika

Popis metody:

• Sbírání vzorků vzduchu (typicky 600 mL) na aktivní sorbentní trubici ochlazenou na –10 °C.
• Programované teplotní odpařování (PTV injektor) rychle zahřeje trubici z –10 °C na 400 °C, analyty jsou přivedeny detekční kolonkou.
• Separace probíhá na širokopóré kolonce (C5–ClO) nebo PLOT kolonce (C2–C6) za vysokého toku nosného plynu (20 mL·min⁻¹).
• Detekce je realizována plamenoionizačním detektorem (FID).

Optimalizace vzorkování:

• Maximální objem vzorku určen jako 50–100 % průrazného objemu (bez ztráty účinnosti zachycení).
• 600 mL zajišťuje detekční limity v rozsahu 50–100 ppt.
• Díky vysokému průtoku nosného plynu dochází k samočištění sorbentu mezi analýzami.

Použitá instrumentace

• OPTIC 400 PTV injektor (Ai Cambridge, UK) s aktivní trubicí z aktivního uhlí (Phase Separations Ltd.).
• GC systém Carlo-Erba GC8000 se dvěma sloupci: RTX-1 dimethylpolysiloxan (60 m × 0,53 mm) pro C5–ClO a Al₂O₃ PLOT (50 m × 0,53 mm) pro C2–C6.
• Flame Ionization Detector (FID) s generátory vodíku a čistého vzduchu (Packard 9200, Packard 2500).
• Chlazení trubice CO₂ regulované pomocí PTV.
• Pro biogenní emisní měření: sampling věž se sušičem Nafion (Perma-Pure) a externí meteorologické a plynové analyzátory (NOx, O₃, CO).

Hlavní výsledky a diskuse

• Efektivní zachycení a separace C2–C6 a C5–ClO sloučenin bez mezikrokového kryogenního zaostřování.
• Detekční limity 50–100 ppt při objemu vzorku ~600 mL.
• Příklady aplikace: 38 aromatických VOC v městském vzorku, detekce isoprenu v lesním ovzduší až 1200 ppt.
• Možnost hodinové periodicity analýz díky rychlému zahřívání a vysokému průtoku.
• Systém nevyžaduje častou údržbu a je vhodný pro dálkové či mobilní nasazení.

Přínosy a praktické využití metody

• Zjednodušená online analýza VOC v terénu i laboratoři.
• Nižší provozní náklady díky eliminaci kryogenního media.
• Stabilní a opakovatelný sběr vzorku bez výměny trubic.
• Možnost dlouhodobého monitoringu městských i lesních lokalit.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření metody pro širší spektrum VOC, integrace s hmotnostní spektrometrií pro identifikaci stopových látek a vývoj přenosných verzí pro rychlá in-situ měření. Využití umělé inteligence pro analýzu dat a predikci emisí z městských a biogenních zdrojů je perspektivní.

Závěr

Popsaná metoda představuje robustní a citlivou platformu pro kontinuální monitoring VOC v různých prostředích. Eliminace kryogenního mezikroku a automatizace samplingu přináší dlouhodobý provoz s minimální údržbou a vysokou opakovatelností. Metoda je vhodná pro výzkum kvality ovzduší, environmentální monitoring a průmyslovou kontrolu.

Reference

1. C.W. Sweet a S.J. Vermette, Environ. Sci. Technol. 26 (1992) 165.
2. R.A. Hadey a G.R. Cass, Environ. Sci. Technol. 28 (1994) 88.
3. EPAQS, Expert Panel on Air Quality Standards. Benzene. HM Stationary Office (1993).
4. PORG, Ozone in the United Kingdom, Department of the Environment, London, UK (1993).
5. M.E. Jenkin, I.R. Pomeroy, R.G. Derwent, S.M. Saunders a M.J. Pilling, Tropospheric Chemistry Modelling. AEA report no. AEA/CS/18360008/002 (1995).
6. S.J. O'Doherty, P.G. Simmonds a G. Nickless, J. Chromatogr. 630 (1993) 264.
7. C. Ciccoli, A. Cecinato, A. Brancaleoni, M. Frattoni a A. Liberti, J. High Resol. Chromatogr. 15 (1992) 75.
8. B.D. Kruschel, R.W. Bell, R.E. Chapman, M.J. Spencer a K.V. Srnith, J. High Resol. Chromatogr. 17 (1994) 187.
9. S.A. Montzka, M. Trainer, P.D. Goldan, W.C. Kuster a F.C. Fehsenfeld, J. Geophys. Res. 98 (1993) 1101.
10. M.L. Mattinen a O. Maria, Proc. 14th Int. Symp. on Cap. Chromatogr., Baltimore, Maryland, USA (1992) pp. 307-314.
11. E.A. Woolfenden, G.M. Broadway, P. Higham a I. Seely, Proc. Int. Conf. on VOC in the Environment, London, UK (1993) pp. 321-329.
12. J. Derwent et al., AEA Technology, Culham, UK Report No. AEA/CS/18358030/005 (1994).
13. A.M. Denha, K.D. Bartle a M.J. Pilling, Anal. Proc. 31 (1994) 297-300.
14. A.C. Lewis et al., Atmos. Environ. 29 (1995) 1871-1875.
15. B. Camel a M. Caude, J. Chromatogr. 710 (1995) 3-19.
16. R.H. Brown a C.J. Purnell, J. Chromatogr. 178 (1979) 79.
17. D. Grosjean et al., Environ. Sci. Technol. 27 (1993) 830-840.
18. R.S. Martin et al., J. Atmos. Chem. 13 (1991) 1-32.
19. F. Fehsenfeld et al., Global Biogeochem. Cycles 6 (1992) 389-430.
20. B.D. Kruschel et al., J. High Resol. Chromatogr. 17 (1994) 187-190.