Fältanalys porgas

OBS Remissversion - texterna är fortfarande under bearbetning och ska enbart ses som utkast. Finns det direkta fel? Hittar du enkelt det du vill, dvs är strukturen bra? Finns det ord/begrepp som behöver förklaras? Vi tar tacksamt emot förslag på ändringar/tillägg via e-post till This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.. Texterna kommer kontinuerligt att uppdateras och revideras och layouten förbättras. 



Nedan följer en genomgång av några fältinstrument som kan användas vid porgasprovtagning och är direktvisande eller åtminstone ger snabba analyssvar direkt i fält.

  • Multigasmätare/deponigasinstrument
  • Portabel gaskromatograf (GC-PID)
  • Läcktestare (HDI)
  • Fotojonisationsdetektor (PID)

Multigasmätare/deponigasinstrument

Figur 2. Multigasmätare (av typ Ecoprobe 5 från RS Dynamics)

En multigasmätare mäter, som namnet antyder, flera olika gaser och flyktiga organiska ämnen samtidigt. För dessa ändamål är den utrustad med flera olika detektorer. För att exemplifiera redogörs här för mätfunktioner för Ecoprobe 5 från RS Dynamics.

  • Totalhalt flyktiga organiska ämnen (VOC) mäts med en fotojonisationsdetektor (PID)
  • Totalhalt flyktiga petroleumprodukter (TP) mäts med infraröd detektion (IR)
  • Metan mäts med infraröd detektion (IR)
  • Koldioxid mäts med infraröd detektion (IR)

Utöver detta mäter även instrumentet atmosfäriskt lufttryck, mottryck vid pumpning (jordlagrens och porgasspetsens samlade genomsläpplighet) samt syre.

För att ämnen skall vara detekterbara med PID krävs att ämnenas jonisationspotential inte överstiger kapaciteten för den fotojonisationslampa som instrumentet är utrustad med, i detta fall 10,6 eV. Då olika ämnen har olika jonisationspotential är detektorn olika känsligt för olika ämnen och uppmätt resultat motsvarar ekvivalenter för det ämne som använts vid kalibrering (vanligen isobuten).

För IR-detektion av TP används ett brett IR-spektrum som samtidigt detekterar såväl lättare kolväten, tyngre kolväten (t.ex. diesel) som metan. Förekommer metan och petroleumkolväten samtidigt ger mätvärde för TP totalsumman av båda ämnesgrupperna. Petroleum kan ej beräknas genom subtraktion av metan p.g.a. att olika kalibreringsstandarder används för de olika parametrarna.

Samtidig förekomst av höga halter metan påverkar känsligheten för PID. Vid metanhalter >1% kan känsligheten för en PID (med 10,6 eV lampa) minska med mer än 60%[1].

Halterna av syre, koldioxid och metan ger en allmän bild av mikrobiologisk aktivitet (nedbryt­ningsprocesser) i jordlagren och är även de parametrar som vanligen efterfrågas vid utvärdering av deponigas. I synnerhet är halten av metan och syrgas av vikt för kartläggning av potentiellt explosiva deponigaser. En tumregel är att färsk deponigas innehåller metan och koldioxid i ungefär proportion 1:1. Metanhalter på 60-80% tyder på en ”äldre” gasförekomster, dvs ingen färsk metanproduktion, där koldioxid hunnit lösas upp i vatten.

Vid mätning på förorenade områden indikerar högre halter av koldioxid, samtidigt med lägre syrehalter i samma provpunkt, oftast nedbrytning av lättnedbrytbart organiskt material, dvs indikerar någon typ av organisk förorening. Närvaro av metan tyder på att nedbrytningen har pågått under en längre tid och kan vara orsakad av såväl oljeförorening som från biologiskt nedbrytbart hushållsavfall.

Atmosfäriskt lufttryck vid provtagningen är en viktig parameter att notera då den styr i vilken grad flyktiga föroreningar förångas. Ett ökande lufttryck ger minskad avgång av flyktiga ämnen från jordbunden form och till porgas. Har man ej tillgång till direktvisande fältinstrument bör man från t.ex. SMHI inhämta uppgifter kring aktuellt lufttryck vid provtagningstillfället och notera dessa tillsammans med andra väderuppgifter.

Undertrycket vid provtagningen ger information om jordlagrens genomsläpplighet kring den installerade provtagningsspetsen.

Fältmätning av undertryck tillsammans med syre och koldioxid kan med fördel användas för kvalitetssäkring av en genomförd installation av en porgassond eller ett porgasspjut. Halten atmosfäriskt syre och koldioxid är ca 21 % respektive 0,04 %. Vid mätning i installationen bör syrehalten vara lägre och koldioxidhalten högre[2] för att indikera att ingen atmosfärisk luft tränger ned till provtagningsspetsen.

Portabel gaskromatograf (GC-PID)

Portabel gaskromatograf utrustad med fotojonisationsdetektor (PID). (Av typ FROG 4000 från Defiant Technologies).

Med en multigasmätare eller en dedikerad PID-mätare erhålls totalhalter av VOC i porgas. Med en portabel gaskromatografi möjliggörs analys av enskilda flyktiga organiska ämnen i gasfas med betydligt högre noggrannhet än en vanlig PID-mätare. Genom kromatografisk separation och jämförelse med standardprover kan förekomst av enskilda ämnen verifieras och deras individuella haltkoncentrationer bestämmas. Själva detektorn är jämförbar med de ovan nämnda och kan ha en jonisationsstyrka på typiskt 10,6 eV. Ökad känsligt uppnås genom att; 1) luftprovet uppkoncentreras över en ”pre-concentrator” och 2) detektorns bakgrundsbrus hålls till ett minimum genom att bärgasen som bär analyten genom instrumentet renas 3) eftersom olika ämnen separeras i den kromatografiska kolonnen når de inte detektorn samtidigt vilket också bidrar till att minimera bakgrundsbrus. Detektionsgränser är beroende av PID-lampans ålder samt i viss mån lokala fältförhållanden eftersom samtidigt förekomst av många ämnen med liknande flyktighet som den aktuella analyten ger upphov till ett förhöjt baslinjebrus.

För att analysera porgas från en installation uttas luftprov (ca 1L) med en handhållen vacuumkolv och överförs till en gastät provtagningspåse (Tedlar bag, Scantec). Provtagningspåsen kopplas till instrumentet som suger ut och analyserar en på förhand definierad exakt provvolym. Analystiden är ca 10-15 min men kan anpassas efter aktuella ämnen. För att en analyt säkert skall kunna både identifieras och kvantifieras krävs för det specifika instrument som här exemplifieras att; 1) det flyktiga ämnet har en molekylvikt i spannet 62-142 g/mol, 2) ämnet har en jonisationspotential som ej överstiger 10,6 eV, 3) man har tillgång till en kommersiell standard av ämnet.

Förberedelser i form av kalibrering ställer högre kompetenskrav på användaren jämfört med andra fältinstrument. När väl kalibrering är avklarad är handhavandet enkelt. För en okomplicerad föroreningssituation (enstaka problemämne) kan en portabel gaskromatograf handhas helt fristående och med batteridrift. Genom att koppla instrumentet till en dator möjliggörs tydligare uppföljning och mera dynamiskt handhavande.

+låg detektionsgräns, resultat inom ca 10 min, haltbestämning av enskilda ämnen till låg kostnad

- dyrbart instrument, handhavande kräver mera förkunskaper

Läcktestare

Läckdetektor/läcksökare med detektor av typen heated diode ionization (HDI). (Av typ H-10 PRO från Bacharach).

Läcksökare utrustade med detektor av typen positive ion emission / heated diode ionization (HDI) har utvecklats specifikt för att kunna spåra halogenerade ämnen med hög selektivitet. Dessa har tidigare använts för att t.ex. kunna kontrollera läckage från köldmedieanläggningar som t.ex. innehållit freoner. Den höga selektiviteten för halogener innebär att dessa instrument kan registrera förhöjda halter av t.ex. klorerade lösningsmedel med betydligt större känslighet än ett traditionellt PID-instrument. Dessutom ger läcksökaren utslag för flera klorerade lösningsmedel som har joniationspotentialer som överstiger 10,5 eV och därför ej ger något PID-utslag. Instrumentet fungerar genom att en i instrumentet inbyggd pump suger in luft från prov eller från omgivningen över en handhållen sensor. Instrumentets känslighet kan regleras genom att justera sensortemperatur och pumpflöde. Det är viktigt att ha i åtanke att dessa instrument är utvecklade för mätningar direkt i fria luftmassor och att den inbyggda pumpen ej är dimensionerad för mätningar från porgasinstallationer med mottryck. Detektorutslag är beroende av luftflödet som passerar över sensorn och därför är det mycket vanskligt att använde instrumentet för mätningar i porgas då installationens mottryck kan ge falska detektorutslag. Med god kännedom om instrumentets funktion och begränsningar kan en van användare ändå dra nytta av instrumentets kapacitet att selektivt detektera klorerade lösningsmedel direkt i fält. En annan begränsning är att instrumentet, i de flesta tillgängliga utformningar, ej ger något numerärt mått på förorening utan ger ett semi-kvantitativt mått i form av en ljudsignal.

+känsligt och selektivt instrument med relativt låg detektionsgräns, snabb mätning och omedelbart resultat

- ej kvantitativa resultat utan endast indikation, många omgivande faktorer och instrumentella faktorer som påverkar detektorutslaget

Fotojonisationsdetektor (PID)

Mätningar med handhållen fotojonisationsdetektor görs vanligen i provtagningspåsar med jordprov och representerar då ett samlat mått på VOC i headspace-gas och inte halter i porgas. Instrumentet kan likväl användas i fält för att inom ett undersökningsområde särskilja områden med hög respektive låg samlad halt av VOC i porgas. Det är dock viktigt att ha i åtanke att när flera olika typer av flyktiga föroreningar förekommer samtidigt inom undersökningsområdet går det inte längre att värdera vilka platser som utgör en större risk beträffande enskilda ämnen. Högst utslag för total VOC behöver inte innebära högst porgashalter av det ämne som är styrande vid riskbedömningen.

Känsligheten för instrumentet är vanligen kring ett par ppm. Detta kan jämföras med en portabel gaskromatograf som kan detektera 50-100 ggr lägre halter och kvantifiera enskilda ämnen som bensen i halter kring 20 ppb. Bensen och klorerade alifater är exempel på ämnen som kan vara styrande vid riskbedömning av ånginträngning i byggnad och därför behöver kunna detekteras och kvantifieras även då de förekommer i låga halter. Med viss kännedom om föroreningar på platsen och medvetenhet om instrumentets begränsningar kan en PID ändå vara ett bra verktyg för att avgränsa områden för noggrannare porgasmätningar.

Tekniska principer för pumpad provtagning över adsorptionsrör

För provtagning och laboratorieanalys av flyktiga ämnen i porgas kopplas den installerade provtagningsspetsen till en provtagningspump och porgas pumpas långsamt över ett adsorptionsrör. Val av adsorptionsrör anpassas för den analyt som är av intresse. För analys av lösningsmedel är adsorbentmaterialet som regel aktivt kol. Det är dock viktigt att observera att somliga leverantörer (t.ex. ALS) erbjuder olika typer av aktivt kol anpassade för t.ex. en bred screening för många olika ämnen respektive för en riktad provtagning mot klorerade lösningsmedel. Under provtagningen bör adsorptionsröret skyddas från direkt solljus eftersom vissa analyter bryts ned av solljus samt att ett kraftigt uppvärmt adsorptionsrör har sämre förmåga att fånga analyterna.

Eftersom kvantifieringen baseras på total analytmängd som adsorptionsröret ansamlat och total mängd porluft som pumpats är det viktigt att försöka uppskatta provtagningsflöde och provtagningstid så noggrant som möjligt. Om provpumpar hyrs in är de ofta förkalibrerade för att ge ett visst luftflöde men detta gäller för ohindrad pumpning och med ett visst motstånd vid pumpningen kommer det faktiska flödet att bli något lägre. En bättre noggrannhet uppnås om man med flödesmätare justerar pumphastighet för varje provpunkt i fält efter det att både provtagningsspets och adsorptionsrör har anslutits till pumpen.

Lämplig flödeshastighet för provtagning av porgas är som regel ca 100-250 ml/min men bör anpassas efter analyt och typ av adsorptionsrör. Högre flödeshastighet kan riskera analytförlust genom adsorptionsröret och att installationen inte klarar att hålla tätt mot inträngande atomsfärsluft. Lägre flödeshastighet har inga direkta nackdelar utöver att provtagningen tar lång tid att utföra för att uppnå önskad provvolym. Möjligen kan osäkerheten i uppmätt flöde vara större vid extra långsam pumpning och därmed få en större betydelse på den totala osäkerheten i kvantifieringen.

Provtagningstid bör anpassas så att önskvärd detektionsnivå uppnås. För att maximera möjlighet till detektion vid provtagning kan provtagningstid förlängas. Det kan även hävdas att en längre provtagning (större volym porluft) innebär att influensområdet som provet sägs representera maximeras. Vid trolig förekomst av betydande halter av förorening kan provtagningen med fördel kortas ned. Därmed minskas risken att luftkanaler med kontakt till markytan hinner etableras med resultat att provet späds ut med atmosfärsluft. Erfarenhet har visat att direkt fältmätning med portabel gaskromatograf, där enbart några få liter luft har omsatts före provtagning, resulterar i högre haltbestämningar jämfört med ett pumpat prov från samma provpunkt.

 +låg detektionsgräns, (vanligen) ackrediterade laboratorieresultat, enkelt handhavande

- tidskrävande vilket innebär att färre provpunkter kan provtas, dyrare analyser

Kvalitetskritiska faktorer, allmänt

Fältförhållanden påverkar möjligheten att genomföra provtagning av porgas. Mycket täta jordarter (lera) minskar det influensområde som avger flyktiga föroreningar till den specifika provtagningspunkten och i vissa fall är jorden så tät att inga prov kan tas. I sandigare jordar med större porvolym är influensområdet större. I täta jordarter finns en ökad risk för kanalbildning vid alltför kraftig pumpning och i sandigare jordar är risken mindre. I täta jordarter ökar risken, främst vid högre provtagningshastighet och povvolym, att porgasprov kommer att härstamma främst från makroporer eller sprickor som oftast innehåller lägre föroreningshalter än den genomsnittliga jordmatrisen. I sandigare jordar är effekten från lägre halter i makroporer mindre.

Provtagningen måste genomföras på ett sätt som säkerställer att det är gasfasen i jordmatrisen som provtas utan betydande utspädning från atmosfärsluft.

Nederbörd leder till att jordens porer fylls med vatten istället för luft, därför är det viktigt att undvika provtagning under kraftigt regn och dagen efter ett regn. Provtagning måste ske i den omättade zonen ovan rådande grundvattennivå.

Vidare är det en klar fördel att genomföra provtagningen med direktvisande analysinstrument som ger svar direkt i fält. Provtagningen kan då anpassas efterhand utifrån framkomna resultat.

Asfaltsytor, byggnader och byggnadsrester behöver inte utgöra ett hinder för porgasprovtagning. Tvärtom är det ofta önskvärt att genomföra provtagning under existerande bottenplattor för att utröna förekomst av flyktig förorening som kan riskera att tränga in i byggnaden. Det kan också vara särskilt intressant att provta porgas under en utomhusyta som är belagd med asfalt eller betong. Den hårdgjorda ytan kan fungera som ett lock över en förorening och bidra till ett stort influensområde för den aktuella provpunkten.

Kvalitetskritiska faktorer, provtagningsdjup

Det finns inga generella riktlinjer kring provtagningsdjup utan dessa bör anpassas efter förutsättningar på platsen samt; antingen till det djup där det är mest sannolikt att förorening finns, eller också till det djup som bäst representerar en möjlig exponeringsväg man önskar undersöka. Vid riskbedömning av ånginträngning i byggnad bör provtagningen utföras så ytligt som möjligt under förutsättning att en god tätning mot markytan kan garanteras. I SGF:s fälthandbok (1) anges att ett djup motsvarande 0,5-1 m bör vara tillräckligt för att inte atmosfärsluft skall påverka provet. I en dansk handbok anges 0,5 m som ett minimum (2). 

Vid provtagning för att spåra förekomst av ämnen i en grundvattenplym bör provtagningen istället vara djupare och närmare grundvattenytan. Man bör dock ha i åtanke att ha en säkerhetsmarginal så att inte provtagningsspetsen installeras i kapillärzonen ovanför grundvattenytan eftersom denna zon är delvis vattenmättad och med begränsat innehåll av porgas.

För- och nackdelar med porgasprovtagning

+ Porgasprover kan sägas representera en större enhet (ytarea eller volym) än ett jordprov

+ Porgasprover är ett säkrare sätt att detektera mycket flyktiga ämnen som annars lätt går förlorade vid provtagning av jord och vatten

+ Porgasprover kräver inte samma insats från arbetsmaskiner som vid borrprovtagning och installation av grundvattenrör

+ Vid riskbedömning där exponeringsväg genom inandning är styrande ger porgasprover faktiska halter på platsen för jämförelse med riktvärden. Saknas dessa data behöver ångavgången beräknas utifrån uppmätta halter i vatten eller jord vilket innebär stor osäkerhet

- Porgasprover kan sägas representera en mindre enhet (ytarea eller volym) än ett grundvattenprov

- Porgasprover påverkas i högre grad av vädersituation och årstid i jämförelse med jord- och vattenprover

- Porgasprover uttas vanligen med installationer genomförda utan arbetsmaskiner och maximalt provtagningsdjup blir därmed någon eller några meters djup under markytan

 

[1] RAE Systems. 2013. The PID handbook. Document No: 000-4000-000

ISBN: 0-9768162-1-0.

[2] I sällsynta fall kan koldioxidhalter nära noll förekomma i porgas som ett resultat av kraftig hämning av all mikrobiell aktivitet, t ex på grund av kvicksilverförekomst