หน่วยความเข้มข้นของมลพิษน้ำและมลพิษอากาศ (2)

โดย  ผู้ช่วยศาสตราจารย์ปราโมช เชี่ยวชาญ

          ฉบับที่แล้วได้กล่าวถึงหน่วยความเข้มข้นของมลพิษน้ำ นับว่าเป็นความโชคดีที่หน่วย ppm.= หน่วย mg/l  (เฉพาะในกรณีของน้ำเท่านั้น) ฉบับนี้จะกล่าวถึงหน่วยความเข้มข้นของมลพิษอากาศ ซึ่งไม่โชคดีและมีความยุ่งยากซับซ้อนเพิ่มขึ้นกว่ามลพิษน้ำ ดังรายละเอียดพอสังเขป ดังนี้

หน่วยความเข้มข้นของมลพิษอากาศ

          งานอาชีวอนามัยและงานมลพิษสิ่งแวดล้อมในสถานประกอบการ/ โรงงาน โดยทั่วไปมักต้องมีการเก็บตัวอย่างอากาศ เพื่อเฝ้าระวังตรวจสอบคุณภาพอากาศทั้งภายในและภายนอกโรงงาน/ สถานประกอบ

          ก่อนจะกล่าวถึงหน่วยความเข้มข้นของมลพิษอากาศ จะขอกล่าวถึงภาพรวมการเก็บตัวอย่างอากาศของสถานประกอบการ/ โรงงาน โดยทั่วไปจะมีการเก็บตัวอย่างอากาศเพื่อเปรียบเทียบกับค่ามาตรฐานอยู่ 3 แหล่งใหญ่ ๆ ดังนี้
1. การเก็บตัวอย่างอากาศในบริเวณสถานที่ทำงาน
2. การเก็บตัวอย่างอากาศจากปลายปล่อง หรือช่องเปิดที่ระบายอากาศออกจากสถานประกอบการ/ โรงงาน
3. การเก็บตัวอย่างอากาศจากบรรยากาศรอบ ๆ สถานประกอบการ/ โรงงาน หรือจากบรรยากาศบริเวณชุมชนติดกับสถานประกอบการ/ โรงงาน

          ที่กล่าวเช่นนี้ เนื่องจากการเก็บตัวอย่างอากาศในแต่ละแหล่ง มีวัตถุประสงค์ของการเก็บตัวอย่างอากาศที่แตกต่างกันออกไป และมีวิธีการเก็บตัวอย่าง การใช้อุปกรณ์ / เครื่องมือในการเก็บตัวอย่าง รวมถึงมีกฏหมายหรือมาตรฐานที่ใช้ในการเปรียบเทียบแตกต่างกันออกไปด้วย ถ้าเป็นนักอาชีวอนามัยและความปลอดภัย ก็จะคุ้นเคยในการเก็บตัวอย่างอากาศจากแหล่งแรก  ถ้าเป็นนักวิชาการมลพิษสิ่งแวดล้อม ก็จะคุ้นเคยกับการเก็บตัวอย่างจากแหล่งที่สองและสาม  (รายละเอียดของการเก็บตัวอย่างอากาศทั้งสามแหล่งมีค่อนข้างมาก ไว้มีโอกาสจะมากล่าวถึงต่อไป) อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าจะเก็บตัวอย่างจากแหล่งไหน ก็จะพบกับหน่วยความเข้มข้นของมลพิษอากาศ ยกตัวอย่างเช่น ในใบรายงานผลการวิเคราะห์ตัวอย่างอากาศจากห้องปฎิบัติการ พบว่า มีไอระเหยของ Toluene เท่ากับ 800 mg/m3 (ในที่นี้เป็นผลวิเคราะห์ที่ได้จากการเก็บตัวอย่างอากาศในสถานที่ทำงาน) ดังนั้น จึงนำไปเปรียบเทียบกับค่ามาตรฐานของ OSHA ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งกำหนดไว้ให้มีค่าได้ไม่เกิน 200 ppm.

          จากตัวอย่างข้างต้นจะเห็นได้ว่า ไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้โดยตรง เนื่องจากเป็นคนละหน่วยกัน ดังนั้น จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนหน่วยความเข้มข้น อย่างไรก็ตาม ก่อนการเปลี่ยนหน่วยควรเข้าใจความหมายของหน่วยความเข้มข้นก่อน

          หน่วยความเข้มข้นของมลพิษอากาศที่นิยมใช้และพบได้มาก มีอยู่ 2 หน่วย คือ
1. mg/m3 ย่อมาจาก “milligram per cubic meter” หรือมิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เมตร สำหรับในเรื่องของอากาศนี้ย่อมหมายถึง ปริมาณหรือน้ำหนักของก๊าซหรือไอระเหย (มีหน่วยเป็นมิลลิกรัม) ต่อปริมาตรของอากาศหนึ่งลูกบาศก์เมตร  
(จากตัวอย่างข้างต้นนั่น หมายความว่า จากผลการตรวจวิเคราะห์อากาศจากห้องปฏิบัติการ พบว่า มีน้ำหนักของไอระเหย Toluene เท่ากับ 800 มิลลิกรัม ต่อปริมาตรของอากาศหนึ่งลูกบาศก์เมตร หรือในปริมาตรของอากาศหนึ่งลูกบาศก์เมตรมีน้ำหนักของไอระเหย Toluene เท่ากับ 800 มิลลิกรัม)

2. ppm. ย่อมาจาก “part per million” หรือส่วนในล้านส่วน หรือ 1/106  สำหรับในเรื่องของอากาศนี้ย่อมหมายความถึง ส่วนของปริมาณสาร (ก๊าชหรือไอระเหย) ต่อปริมาณของอากาศล้านส่วน เนื่องจากหน่วย ppm. นึ้ มีด้วยกันหลายรูปแบบ เช่น ปริมาตรต่อปริมาตร หรือvolume by volume (v/v)   น้ำหนักต่อน้ำหนัก หรือ weight by weight (w/w)  น้ำหนักต่อปริมาตร หรือ weight by volume (w/v)  อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปในเรื่องมลพิษอากาศมักใช้ในรูปของปริมาตรต่อปริมาตร และบางทีอาจเขียนตัวย่อให้ชัดเจนขึ้น เป็น “ppmv”
(ดังนั้น จากตัวอย่างข้างต้นนั่นหมายความว่า จากค่ามาตรฐานของ OSHA กำหนดให้มีปริมาตรของไอระเหย Toluene ได้ไม่เกิน 200 ส่วน ต่อปริมาตรอากาศล้านส่วน หรือในปริมาตรอากาศล้านส่วนมีปริมาตรของไอระเหย Toluene ได้ไม่เกิน 200 ส่วน)

การเปรียบเทียบหรือเปลี่ยนหน่วยความเข้มข้นของมลพิษอากาศ ppm. เป็น mg/m3  สามารถทำได้โดยใช้สมการ ดังนี้
ppm.= ((mg/m3  x 22.4)/mw.) (T/273) (1/P) ……….   สมการที่ (1) 
โดยที่  mw. คือ น้ำหนักโมเลกุล
T  คือ อุณหภูมิของบรรยากาศมีหน่วยเป็นเคลวิน (K)
P คือ ความดันบรรยากาศมีหน่วยเป็นบรรยากาศ (atm.)
สมการที่ (1) ข้างต้นเป็นสมการที่สามารถเปลี่ยนหน่วยความเข้มข้นของมลพิษอากาศได้ในทุกอุณหภูมิและความดันของบรรยากาศ (เนื่องจากปริมาตรอากาศจะแปรเปลี่ยนตามอุณหภูมิและความดันของบรรยากาศ ดังนั้น ในเรื่องมลพิษอากาศ ตัวแปรเกี่ยวกับอุณหภูมิและความดัน จึงมีความสำคัญ)  เพื่อเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับสมการที่ (1) สามารถอธิบายที่มาได้ ดังนี้
เมื่อต้องการเปลี่ยนหน่วยจาก Z  ppm. ให้เป็น mg/m3 ที่ STP

          ก่อนอื่นต้องขอทบทวนความรู้วิชาเคมีชั้นมัธยมปลายก่อน คำว่า “STP” ย่อมาจาก “Standard Temperature pressure”  นั่นคือ ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ซึ่งกำหนดไว้ คือ ที่ความดัน 1 บรรยากาศ และอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส หรือเท่ากับ 273  เคลวิน (อย่าลืม ในการคำนวณกี่ยวกับกฏของก๊าซ  หน่วยของอุณหภูมิที่ใช้ต้องเป็นหน่วยเคลวินเสมอ)

จากนิยามคำว่า ppm. ที่กล่าวข้างต้นนั่น คือ 1  ppm.  =   1 ลิตรมลพิษ/ 106  ลิตรอากาศ
เพราะฉะนั้น จากโจทย์  Z   ppm.  =    Z ลิตรมลพิษ/ 106  ลิตรอากาศ
การเปลี่ยนหน่วย  ppm. ให้เป็น mg/m3 คือ ต้องเปลี่ยนหน่วยมลพิษ 1 ลิตรให้เป็นมิลลิกรัม  และเปลี่ยนอากาศ  106  ลิตร ให้เป็นลูกบาศก์เมตร      

จากความรู้วิชาเคมีชั้นมัธยมปลาย เราทราบว่า ที่ STP  ก๊าซ 1 โมล มีปริมาตร เท่ากับ 22.4 ลิตร
นั่นคือ  ก๊าซ 22.4 ลิตร   =   1  โมล
ดังนั้น  ก๊าซ   Z   ลิตร    =     Z/ 22.4   โมล
นอกจากนี้ ก๊าซ 1 โมล หนัก เท่ากับ น้ำหนักโมเลกุล (mw.)  1 กรัม
ดังนั้น ก๊าซ Z/ 22.4  โมล จึงหนัก เท่ากับ  (Z x mw.)/ 22.4 กรัม เนื่องจาก 1 กรัม เท่ากับ  103  มิลลิกรัม
ดังนั้น แปลงหน่วยข้างต้นได้ เท่ากับ (Z x mw.x 103)/ 22.4 มิลลิกรัม
จะเห็นได้ว่า สามารถเปลี่ยนหน่วยมลพิษจากลิตรให้เป็นมิลลิกรัมได้แล้ว ขั้นต่อไปต้องเปลี่ยนปริมาตรอากาศจาก 106  ลิตร ให้เป็นลูกบาศก์เมตร ดังนี้
เนื่องจาก 1 ลูกบาศก์เมตร เท่ากับ 103  ลิตร ดังนั้น 106  ลิตร จึงเท่ากับ  103 ลูกบาศก์เมตร
นั่นคือ ความเข้มข้นของมลพิษอากาศ Z ppm. จึงเท่ากับ (Z x mw.x 103)/ 22.4) มิลลิกรัม/ 103 ลูกบาศก์เมตร
เมื่อตัด  103 ออก ทั้งเศษและส่วน จะได้ (Z x mw.)/ 22.4  มิลลิกรัม/ลูกบาศก์เมตร
หรือกล่าวได้ว่า มิลลิกรัม/ ลูกบาศก์เมตร (mg/m3 )   =   (ppm. x mw.)/ 22.4   
เมื่อย้ายข้างสมการ
ppm.  = ((mg/m3  x  22.4) / mw.) …………….. สมการที่ (2)
ซึ่งตรงกับสมการที่ (1) เนื่องจากที่ STP กำหนดให้ความดัน เท่ากับ 1 บรรยากาศ และอุณหภูมิ เท่ากับ 273  เคลวิน ดังนั้น สองพจน์หลังของสมการที่ (1) จึงมีค่าเท่ากับ 1
จะเห็นได้ว่า สมการที่ (2) สามารถใช้ได้เฉพาะในกรณีที่ STP เท่านั้น

          ดังนั้น เมื่อสภาพของก๊าซไม่ได้อยู่ที่ STP จึงต้องมีการปรับค่าปริมาตรอากาศ ตามความดัน และอุณหภูมิที่ต้องการทราบค่า โดยใช้ความรู้วิชาเคมีชั้นมัธยมปลาย เรื่องกฏรวมของก๊าซ ซึ่งมาจากกฏของบอยส์และกฏของชาร์ล คือ
(P1xV1)/ T1    =    (P2xV2)/ T2    ……………. สมการที่ (3)
เมื่อเราทราบว่า ที่ STP ความดัน เท่ากับ 1 บรรยากาศและอุณหภูมิ เท่ากับ 273  เคลวิน และปริมาตรของ 1 โมล มีค่าเท่ากับ 22.4 ลิตร หรือ
ในที่นี้  P1= 1 , V1 = 22.4  ,T1 =273   เมื่อแทนค่าลงในสมการที่ (3)
จะได้   (1 x 22.4)/ 273      =      (P2xV2)/ T2     
กรณีต้องการทราบปริมาตรอากาศ ( V2 ) ที่ความดัน (P2 ) อุณหภูมิ (T2)
ย้ายข้างสมการได้
V2    = 22.4 (1/P2) (T2/ 273)
สรุปได้ว่า ในกรณีที่ต้องการหาค่าปริมาตรอากาศ(V)  ที่ความดัน (P) อุณหภูมิ (T) ใดๆ
V   = 22.4 (1/P) (T/ 273)     ………………… สมการที่ (4)

เมื่อรวมสมการที่ (2) และสมการที่ (4) เข้าด้วยกัน จะได้เป็นสมการที่ (1) และนี่คือ ที่มาของสมการที่ (1 )

          อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติค่ามาตรฐานมลพิษอากาศมักอ้างอิงที่ NTP  หรือ Normal Temperature Pressure  คือ ที่ความดัน 1 บรรยากาศ และอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส (298 เคลวิน) ดังนั้น ในการเก็บตัวอย่างมลพิษอากาศ จึงต้องปรับแก้ไขค่าให้อยู่ในสภาพดังกล่าวอยู่แล้ว ในการเปรียบเทียบกันระหว่าง ppm. กับ mg/m3  จึงมักอยู่ที่สภาพ NTP  จึงสามารถปรับสมการที่ (1) ให้ใช้กรณีสภาพ NTP ได้ดังนี้
ppm. =  ((mg/ m3  x 22.4)/ mw.) (298/273) (1/1)
จะได้ ppm. =  ((mg/ m3  x 22.4)/ mw.) (1.09157)
หรือ  ppm. =  (mg/m3  x 24.45)/ mw.  …………… สมการที่ (5)
สมการที่ (5) เป็นสมการที่มักถูกใช้บ่อยในกรณีที่ต้องการเปรียบเทียบกับค่าตามมาตรฐานต่าง ๆ 

          จากโจทย์ตัวอย่างข้างต้น ผลการวิเคราะห์ตัวอย่างอากาศจากห้องปฎิบัติการ พบว่า มีไอระเหยของ Toluene เท่ากับ 800 mg/m3   แปลงเป็นค่า ppm. จากสมการที่ (5) ได้ดังนี้ (ค่า mw.ของ Toluene เท่ากับ 92)
ppm.=  (800  x 24.45)/ 92  =212.6
เมื่อเปรียบเทียบกับค่ามาตรฐานของ OSHA ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งกำหนดไว้ให้มีค่าได้ไม่เกิน 200 ppm. ดังนั้น ไอระเหยของ Toluene จึงมีค่าเกิมมาตรฐาน

…………………………………….