Wykonywanie pomiarów zanieczyszczeń powietrza w sposób ciągły przy zastosowaniu metod czujnikowych, w tym substancji o charakterze zapachowym, daje możliwość określenia ich dokładnej charakterystyki i zmienności stężeń w ujęciu czasowym oraz w wielu przypadkach może być ekonomicznie uzasadnione. W przypadku konieczności badań rozkładów przestrzennych stężeń, również w sytuacji epizodów podwyższonych stężeń związków odorogennych, wybrane czujniki lub ich układy mogą być zainstalowane na platformach mobilnych typu dron.

Przemysł, transport czy gospodarka komunalna są źródłami emisji szkodliwych związków do wody, gleby i powietrza1. W przypadku emisji do powietrza mogą być nimi m.in.: CO, CO2, CH4, NH3, NOx, H2S, HCl, HF, dioksyny, furany czy LZO2. Część z tych związków to substancje o charakterze zapachowym, a literatura wskazuje, że ich emisja jest jedną z głównych przyczyn skarg dotyczących jakości powietrza. Długotrwałe narażanie ludności mieszkającej w sąsiedztwie obiektów emitujących odory może znacząco pogorszyć jakość jej życia, a nawet powodować problemy zdrowotne3. Redukcja emisji odorów jest zatem priorytetem dla przedstawicieli wielu gałęzi przemysłu. Niezbędna jest również weryfikacja skuteczności tych wysiłków poprzez monitorowanie poziomu zanieczyszczeń powietrza substancjami odorogennymi. W związku z tym na przestrzeni lat powstały różnorodne techniki sensoryczne (np. olfaktometria dynamiczna) i analityczne (np. czujniki gazowe czy GC-MS, czyli chromatografia gazowa sprzężona ze spektrometrią mas) pozwalające na identyfikację oraz ilościowe oznaczanie związków zapachowych i ich mieszanin w powietrzu.

Techniki sensoryczne i analityczne

W olfaktometrii dynamicznej określenie stężenia zapachowego wyrażonego w ou/m3 uzyskuje się poprzez przedstawienie próbki panelowi przeszkolonych osób zgodnie z określonymi procedurami zapisanymi w PN-EN 137254. Z tych pomiarów nie można jednak uzyskać informacji o składzie chemicznym badanej próbki. Metoda GC-MS pozwala z kolei uzyskać stężenia poszczególnych związków zapachowych, ale to niewiele mówi nam o odczuwanym zapachu lub interakcjach między odorantami w badanej mieszaninie5. Ciekawym podejściem jest połączenie GC-MS z portem olfaktometrycznym (GC-O-MS), dzięki czemu konkretny składnik chemiczny analizowanego zapachu jest kierowany do ludzkiego nosa w celu oceny sensorycznej. Jednak nadal tą metodą nie można uzyskać informacji o całkowitym stężeniu zapachu lub skomplikowanych interakcjach odorantów6. Dzięki pojedynczym czujnikom gazowym również można uzyskać jedynie informację na temat poziomu poszczególnych odorantów w powietrzu, ale w porównaniu do pozostałych metod najlepiej sprawdzają się one np. w monitoringu ciągłym oraz badaniach terenowych7. Ze względu na małe rozmiary i łatwość stosowania czujniki gazowe mogą być optymalnym rozwiązaniem do zastosowań z wykorzystaniem sieci monitorujących i autonomicznych platform pomiarowych. Jedną z podstawowych wad większości ze stosowanych obecnie detektorów jest ich niska selektywność. Próbki zapachowe zwykle składają się z setek różnych cząsteczek, a ponieważ trudno jest wyprodukować selektywne czujniki dla każdej z nich, metoda ta może nie uwzględniać wszystkich zawartych w powietrzu substancji. Rozwiązaniem mogą być elektroniczne nosy, które złożone są z kilku, kilkunastu (a w niektórych przypadkach kilkuset) niespecyficznych czujników8. Zestaw sygnałów uzyskanych z czujników jest bardzo skomplikowany i wymaga zastosowania modeli uczenia maszynowego oraz ich wyszkolenia na dużej liczbie próbek. Niemniej po przeszkoleniu mają one potencjał do ciągłego dostarczania informacji na temat składu chemicznego próbek zapachowych. Ponadto możliwy jest ich trening z pomiarami olfaktometrycznymi. Zmierzone stężenia zapachowe wyrażane są w tym przypadku w ou/m3(9). 

Zarówno pojedyncze czujniki gazu, jak i układy wieloczujnikowe mogą być stosowane do stałego monitorowania jakości powietrza. Konstrukcja elektronicznego nosa jest trudnym zadaniem i może na nie wpływać wiele czynników, głównie związanych z doborem czujników, opracowaniem modeli i jakością danych wykorzystywanych do ich uczenia. Zestawienie przykładowych metod wykorzystywanych do oceny analitycznej i sensorycznej próbek zapachowych przedstawiono w tabeli 1.
Podstawowymi parametrami decydującymi o zastosowaniu czujnika jest nie tylko wspomniana wyżej selektywność, ale także jego czułość, limit detekcji, czas odpowiedzi i regeneracji, stabilność odpowiedzi w czasie czy czas życia czujnika. Jeżeli chodzi o monitorowanie związków zapachowych, najczęściej stosowane są czujniki amperometryczne, półprzewodnikowe typu MOS oraz detektory lotnych związków organicznych PID (ang. photo-ionization detector)10.

Czujnik amperometryczny

Typowy czujnik amperometryczny składa się z trzech elektrod: pracującej, referencyjnej i przeciwelektrody. Zasada działania czujnika opiera się na pomiarze zmian przepływu prądu generowanych przez redukcję lub utlenianie cząsteczek docelowych na powierzchni elektrody pracującej. Zmiany przepływu prądu są proporcjonalne do mierzonego stężenia gazu8, 10. Tego typu czujniki są zwykle bardzo selektywne i dość czułe. Istnieje jednak ograniczona liczba cząsteczek, które można zmierzyć tą techniką (np. SO2, NH3, H2S, HCHO). Większość czujników amperometrycznych może działać tylko przez ok. dwa lata ze względu na zużycie lub odparowanie elektrolitu. Jednak niektóre firmy oferują czujniki, które mogą działać pięć razy dłużej (np. TGS 5141 firmy Figaro Engineering Inc., Mino, Japonia) dzięki zastosowaniu stałych elektrolitów.

Czujnik półprzewodnikowy

Czujniki półprzewodnikowe charakteryzują się bardzo prostą konfiguracją. Warstwa czuła, wykonana zwykle z półprzewodnikowych tlenków metali, jest umieszczona między dwiema elektrodami. Redukcja lub utlenianie cząsteczek gazu na jej powierzchni prowadzą do zmian rezystancji czujnika8, 10. Większość czujników MOS działa w wysokich temperaturach (nawet 500°C), a zatem wymaga zastosowania elementu grzejnego, zainstalowanego pod elektrodami i oddzielonego od nich membraną izolacyjną. W konsekwencji czujniki te zużywają stosunkowo duże ilości energii. Jednak dzięki miniaturyzacji tych systemów w ostatnich latach zapotrzebowanie na energię zmniejszono z 100 mW do zaledwie kilku mW11. Żywotność 10 lat jest typowa dla czujników MOS, ale czujniki te są jednocześnie podatne na zmiany wilgotności i mogą być dezaktywowane przez wysokie stężenia związków siarki lub lotnych kwasów tłuszczowych. Czujniki typu MOS są przeznaczo...