Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики.

Естественнонаучный факультет

Кафедра экологии и техносферной безопасности

РЕФЕРАТ

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЫЛИ

Выполнила: Носова А. О.

Группа: А4105

Санкт-Петербург

2016 год

Соблюдение ПДК вредных веществ в воздухе населенных мест требует систематического контроля за фактическим их содержанием в атмосферном воздухе. Такой контроль позволяет оценивать эффективность работы пылеочистного оборудования, предусматривать необходимую степень очистки и совершенствовать технологию производства для снижения концентрации вредных веществ в отходящих газах. Интервал возможных концентраций загрязнений может изменяться от 10^-8 до 105 мг/м3, а полидисперсные системы характеризуются, как правило, еще и широким спектром размеров частиц от 10^-2 до 103 мкм. Это исключает возможность создания универсального метода измерения концентраций атмосферных загрязнений и объясняет дифференцированный подход к способам их измерения.

Установлено, что из известных свойств пыли масса и число частиц характеризуют вредность пыли для организма человека. Наибольшую опасность представляют частички пыли в 10 микрон (PM10) и менее. Множество исследований было проведено в Европе и США. Одно из последних было проведено в интервале 2002 - 2004 в 13 городах Италии. Значение пыли PM10 были в пределах от 26.3 мкг/м3 до 61.1 мкг/м3. В странах Восточной Европы и у нас частицы PM2.5 составляют 60-70% от PM10. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, частицы PM2.5 повинны в огромном количестве смертей на планете, в частности от рака лёгких и от других заболеваний. Поэтому в практике пылевого контроля различают два основных метода: весовой (гравитационный) и счетный (кониметрический). Методы, основанные на использовании других характеристик пыли, могут также применяться для определения запыленности воздуха, но только как косвенные по отношению к этим двум основным. Действующие нормы предельно допустимой запыленности воздуха даны в весовом выражении.

 

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЫЛИ

Методы измерения концентрации пыли делят на две группы: методы, основанные на предварительном осаждении, и методы без предварительного осаждения пыли.

– с предварительным осаждением пыли (весовой, радиоизотопный, оптический, пьезоэлектрический методы, метод, основанный на улавливании пыли водой, метод механических вибраций, метод, основанный на измерении перепада давлений на фильтре);

– без предварительного осаждения пыли (акустический, оптический, электрический методы).

При анализе запыленности воздуха предпочтение отдают методам, основанным на предварительном осаждении пыли, так как большинство из них позволяют определять массовую концентрацию взвешенных частиц. К недостаткам этих способов следует отнести циклический характер измерения, высокую трудоемкость и низкую чувствительность анализа. Наиболее часто применяют гравиметрический, радиоизотопный и оптические методы.

1) Гравиметрический метод. Гравиметрический (весовой) метод заключается в выделении частиц пыли из пылегазового потока и определении их массы. Отбор проб воздуха, содержащего частицы пыли, проводят, например, методом фильтрации. В качестве фильтрующих материалов в отечественных пылемерах используются аналитические аэрозольные фильтры (АФА). Концентрацию пыли рассчитывают по формуле:

С = m / Q t,

где   m – масса пробы пыли, мг;   Q – объёмный расход воздуха через пробоотборник, м3/с;   t - время отбора пробы, с.

Существенным преимуществом гравиметрического метода является возможность прямого определения массовой концентраций пыли и отсутствие влияния ее физико-химических свойств на результат измерения. К недостаткам следует отнести трудоемкость метода и длительность анализа.

2) Радиоизотопный метод. Метод основан на свойстве ионизирующего излучения (b - излучения) поглощаться частицами пыли. Массу уловленной пыли определяют по степени ослабления ионизирующего излучения при прохождении его через слой пыли. Результаты измерения зависят от химического и дисперсного состава. Результаты измерения концентрации пыли радиоизотопным методом зависят в некоторой степени от химического и дисперсного состава, что обусловлено особенностью взаимодействия радиоактивного излучения с веществом и нелинейностью зависимости степени поглощения от толщины слоя поглотителя. Однако, как показали исследования, эта погрешность не превышает ± 15%. В то же время методика измерения концентрации пыли радиоизотопным методом проще и не уступает гравитационному методу по точности и чувствительности и при создании автоматических систем контроля атмосферного воздуха вполне может заменить гравитационный метод.

3) Оптические методы.

Различают следующие оптические методы:

а) фотометрический метод основан на измерении оптической плотности запылённого потока по степени рассеивания света;

б) абсорбционный метод основан на явлении поглощения света при прохождении его через пылегазовую среду.

Оптические методы используют закономерности изменения физических свойств запыленного воздуха. Так, изменение оптической плотности по степени светопоглощения или рассеивания света называют фотометрическим методом анализа. С его помощью можно определять до 5 *10^-3 мкг вещества в пробе. Измерение степени рассеивания света взвешенными частицами, находящимися в растворе, положено в основу нефелометрического метода, чувствительность которого до 4-10 мкг вещества в пробе. Абсорбционный метод, основанный на явлении поглощения света при прохождении его через пылегазовую среду, позволяет измерять концентрацию взвешенных частиц непосредственно в атмосферном воздухе без предварительного отбора пробы.

Главным недостатком абсорбционного метода является его низкая чувствительность при измерении малых концентраций аэрозольных частиц (менее 30мг/м3), а также невозможностью контроля высоких концентраций (более 10...12 г/м3) вследствие практически полного поглощения светового излучения.

4) Пьезоэлектрический метод. Существует в двух вариантах:

а) изменение частоты колебаний пьезокристалла при осаждении на его поверхности пыли (определяется массовая концентрация пыли);

б) счёт электрических импульсов при соударении частиц пыли с пьезокристаллом (счётная концентрация).

В отличие от обычных пылемеров, которые измеряют, к примеру, рассеяние света и которым, для того, чтобы вычислить массовую концентрацию пыли, необходимо для каждого вида пыли делать сравнение с весовым методом, пьезобалансные пылемеры измеряет непосредственно массовую концентрацию.

Воздух попадает в прибор через импактор, который удаляет крупные частицы. Малые частицы приобретают электрический заряд и оседают на пьезокристалле. Масса осевшей пыли изменяет резонансную частоту кристалла. Поскольку изменение частоты пропорционально массе пыли, масса легко вычисляется.

5) При измерении концентрации пыли находят применение и так называемые электрические методы: индукционный, контактно-электрический, емкостный и др. Эти методы положены в основу создания пылемеров, измеряющих концентрации аэрозолей непосредственно в пылевоздушной среде. На достоверность результатов этих приборов, существенное влияние оказывают влажность, природа пыли и изменение ее дисперсного состава во времени, поэтому широкого распространения для анализа атмосферного воздуха они не получили.

6) Счетный (микроскопический) метод позволяет определить общее количество пылевых частиц в единице объема воздуха и соотношения их размеров. Для этого пыль, содержащаяся в определенном объеме воздуха, осаживают на стекло, покрытое прозрачной клейкой пленкой. Под микроскопом определяют форму, количество и размеры пылевых часток.

Наиболее распространенные модели приборов для измерения концентраций пыли в атмосферном воздухе приведены в табл.

ПРОБЛЕМЫ:

- разная температура пробы в трубе и весового фильтра;

- отложение пыли на пробоотборном устройстве;

- изменение в технологии ведет к перекалибровке;

- тяжело проводить калибровку.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА ВЕСОВЫМ МЕТОДОМ С ПОМОЩЬЮ АСПИРАТОРА МОДЕЛИ 822

Все необходимые данные и результаты измерений запыленности вносят в таблицу.

Графа 1 — название отдела, фонда, № помещения, место отбора пробы.

Для достоверной оценки запыленности воздуха необходимо отбирать в разных точках (5-15 проб).

Графа 2 — номера фильтров (фильтры нумеруют на бумажных держателях). Фильтры АФА-ВП-10 перед взвешиванием помещают на 0,5–1 ч около весов, чтобы температура и влажность фильтров сравнялась с температурой и влажностью воздуха в футляре весов. Фильтры аккуратно отсоединяют от бумажной подложки и помещают в бумажные держатели.

Графа 7 — начальные массы контрольных фильтров и фильтров для отбора проб (опытных), которые взвешивают на весах с точностью ±0,0001 г или ±0,00001 г.

Пробные фильтры, предназначенные для регулировки объемного расхода воздуха аспиратора (скорости прохождения воздуха), не взвешивают. Пробный фильтр в бумажном держателе вставляют в фильтродержатель, который через гибкую полимерную трубку (резиновый шланг) соединяется с входным штуцером аспиратора. Вентили ротаметров, не соединенных с фильтром, должны быть закрыты. Устанавливают необходимый расход (скорость) воздуха, величину которого определяют по показаниям каждого ротаметра. Исходя из площади рабочей поверхности фильтра АФА-ВП-10 и допустимой воздушной нагрузки на фильтр, скорость прохождения воздуха через фильтр не должна превышать 70 л/мин. Отсчет скорости прохождения воздуха производят по верхнему краю поплавка.

Опытный фильтр в бумажном держателе вставляют в фильтродержатель, включают аспиратор на определенное время.

Графа 3 — продолжительность отбора пробы (τ), мин.

Графа 4 – скорость воздуха (ν), л/мин.

Длительность прокачивания воздуха через один фильтр определяется двумя факторами [2]:

– точностью весового метода, поэтому количество пыли на фильтре должно быть не менее 1-2 мг;

– пылеемкостью применяемого фильтра: например, для АФА-ВП-10 количество собранной пыли на фильтре должно быть не более 25 мг.

Поэтому количество прокачиваемого воздуха зависит от степени запыленности помещения и определяется опытным путем.

Графа 5 — объем воздуха, прошедшего через фильтр (V), л, рассчитанный по формуле:

V = ν × τ .

После отбора проб опытные и контрольные фильтры в течение 0,5–1 ч должны выдерживаться в одинаковых условиях температуры и влажности воздуха.

Графа 6 — конечные массы контрольных и опытных фильтров после прокачивания воздуха.

Графа 8 — результаты расчета изменения массы контрольных и опытных фильтров ∆МХ по формуле:

∆ МХ = Мкон – Мнач,

где ∆ МХ — изменение массы фильтра,

 Мкон — масса фильтра после отбора проб воздуха,

 Мнач — начальная масса фильтра.

Графа 9 — среднее значение изменения массы контрольных тампонов ∆Мконтр (с учетом знака "+" или "–" ), определенное по формуле:

∆ Мконтр = Σ∆ МК/N ,

где N — количество контрольных фильтров,

 ∆ МК — изменение массы каждого контрольного фильтра.

Значение ∆Мконтр показывает, какое количество влаги поглотили или отдали чистые фильтры относительно их первоначального веса. Как и в случае расчета изменения массы тампонов (при определении запыленности документов), здесь также возможны 3 варианта: ∆ Мконтр = 0, ∆ Мконтр > 0 и ∆ Мконтр < 0.

Массу пыли, осевшую на фильтре Мпыли, с учетом изменения массы контрольных фильтров ∆Мконтр вычисляют по формулам:

если ∆ Мконтр > 0, то Мпыли = ∆ М – ∆ Мконтр;

 если ∆ Мконтр < 0, то Мпыли = ∆ М + ∆ Мконтр,

где ∆ Мконтр — модуль значения изменения массы контрольных фильтров.

Графа 9 — количество пыли, осевшее на фильтре, Мпыли, г.

Графа 10 — запыленность воздуха, С, мг/м3, рассчитанная по формуле:

С = Мпыли × 10^6/ V ,

где V — объем воздуха, прошедшего через фильтр,

10^6 — коэффициент для перевода запыленности из г/л в мг/м3

Список использованных источников:

1. Аспиратор для отбора проб воздуха. Модель 822 : паспорт. 14 с.

2. Клименко А. П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. М.: Химия, 1978. 208 с.

3. Экологические приборы и оборудование. "Эко-интех": Аналитические фильтры модели АФА-ВП, АФА-Х, АФА-РМ, АФА-РCП [Электронный ресурс]. URL: http://www.eco-intech.com/catalog/5/460/

4. Экологические приборы и оборудование. "Эко-интех": Пылемеры. [Электронный ресурс]. URL: http://www.eco-intech.com/catalog/5/

5. Дудкин Н. И., Козлов Д. Н. Проблемы контроля массовой концентрации аэрозолей // Экология производства, 2005. - №9. - С. 32-37

6. KANOMAX model 3521 Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Kanomax-USA, 2006. C.14