Таблица 1.6

Таблица для построения вероятностно-логарифмической системы координат

%	х	%	х	%	х
50	0	30; 70	0,524	10; 90	1,282
46; 54	0,100	26; 74	0,643	6; 94	1,555
42; 58	0,202	22; 78	0,772	4; 96	1,751
38; 62	0,305	18; 82	0,915	2; 98	2,054
34; 66	0,412	14; 86	1,08	0,5; 99,5	2,576

Таблица 1.7

Дисперсный состав некоторых видов пыли

Технологическое оборудование	Материал частиц	Запыленность газов, г/м3	dm	lg ч
Мусоросжигательная печь	Зола	17	41	0,472
Печь кипящего слоя	Известняк	27	29	0,502
Цементная мельница	Клинкер	45	17	0,421
Электролизер алюминия	Окислы алюминия	1	20	0,352

— микроскопирование — рассмотрение пылевых частиц с помощью оптического или электронного микроскопа, определение формы частиц, их размера и количества по фракциям. Запыленный фильтр из мате­риала ФПП-15 подвергают воздействию паров ацетона. Материал фильтра расплавляется, образуя про­зрачную пленку, и фиксирует частицы пыли. Метод непригоден для приготовления препарата пылей, взаимодействующих с рас­творителем. Пылевые частицы измеряют с помощью окулярной микромет­рической линейки микроскопа. Дисперсный состав пыли находят, измеряя частицы и определяя количество частиц каждой фракции. Метод микроскопии используется, в основном, при выполнении научных исследований. Для ряда видов пыли он является единственно возможным;

— воздушная сепарация — основан на том, что частицы различного размера имеют различную скорость витания и, следовательно, уносятся ламинарным воздушным потоком из вертикальной трубы при различных его скоростях;

— центробежная сепарация — разделение пыли на фракции с помощью центробежной силы в специальном аппарате. Фракции отделяются последовательно от исследуемой навески под действием центробеж­ной силы, которая в сотни раз больше силы тяжести, на использовании которой основан метод седиментометрии. Благодаря этому время выполнения анализа методом центробежной сепарации значительно сокращается.

— каскадные импакторы (струйные сепараторы) (рис. 1.9). Принцип действия струйного сепаратора основан на инерционном осаждении взвешенных частиц на плоскую поверхность в результате резкого изменения направления движения запыленного потока с последующим определением массы частиц, осевших на эту поверхность. Струя запыленного газа просасывается через несколько последовательно установленных в корпусе сепаратора сопел с расположенными против них экранами (ловушками). Диаметры сопел по ходу газового потока уменьшаются, а скорость выхода потока из них соответственно увеличивается. На каждой последующей ловушке улавливаются все более тонкие частицы. Наличие связи между размерами осаждающихся частиц и скоростью газа позволяет судить о дисперсности пыли. Существуют и другие устройства (счетчик Каултери, ртутная порометрия и т. д.).

2. Адгезионные и аутогезионные свойства. Адгезионные свойства определяют прочность их сцепления с различными макроскопичными поверхностями, а аутогезионные — друг с другом. На практике чаще используют понятие слипаемости. Повышенная слипаемость может привести к полному или частичному забиванию пылеулавливающего аппарата улавливаемым продуктом. Поэтому для многих пылеулавливающих аппаратов установлены определенные границы приемлемости в зависимости от слипаемости улавливаемой пыли. Чем меньше размер частицы, тем легче они прилипают к поверхности аппарата. Различают следующие виды пыли по слипаемости:

Рис. 1.9. Каскадный импактор модели НИИОГаз:

1 — корпус; 2 — стакан; 3 — тарелка; 4 — фильтр

—  неслипающиеся (кварцевый песок, сухая глина);

—  слабослипающиеся (коксовая пыль, доменная пыль);

—  среднеслипающаяся (летучая зола без недожога, цемент, сажа, опилки);

—  сильнослипающаяся пыль (гипсовая, волокнистые, пыль с макс. размером 10 мкм).

Группа слипаемости определяется разрывной прочностью слоя Р, Па. Так для группы I величина Р  60; II — 60  P  300; III — 300  P  600; IV — P  600.

Cо слипаемостью связана другая характеристика пыли — сыпучесть, оцениваемая по углу естественного откоса, который принимает пыль в естественном состоянии. Этой величиной во многом определяется поведение пыли в бункерах и течках пылеулавливающих установок, крутизну стенок которых принимают с учетов сыпучести улавливаемых материалов.

Различают статический и динамический угол естественного откоса. Динамический угол естественного откоса относится к случаю, когда происходит падение частиц на плоскость.

Под статическим углом естественного откоса понимают угол, который образуется при обрушении слоя в результате удаления подпорной стенки. Статический угол естественного откоса всегда больше динамического угла естественного откоса.

3. Абразивность частиц. Абразивность частиц характеризует интенсивность изнашивания Me при одинаковых скоростях газа и концентрациях частиц пыли. От абразивности зависит выбор скорости запыленных газов, толщины стенок аппаратов. При прочих равных условиях по мере увеличения размеров частиц пыли, износ металла сначала возрастает, а затем, достигнув максимума, снижается. Максимальный износ металла вызывают частицы пыли размерами 90 2 мкм.

Для оценки абразивных свойств пыли служит коэффициент абразивности К_а, по которому выбирают соответствующие радиусы кривизны воздуховодов и пылеуловителей, а также толщины стенок отдельных их частей, или полностью всей системы.

4. Смачиваемость частиц. Смачиваемость частиц оказывает существенное влияние на эффективность мокрых пылеуловителей, особенно при работе с рециркуляцией. Различают три группы:

— гидрофильные, которые хорошо смачиваются водой (кальций, кварц);

— гидрофобные, которые плохо смачиваются водой (графит, уголь, сера);

— абсолютно гидрофобные тела (парафин, битумы).

Смачиваемость определяют методом пленочной флотации. Он заключается в том, что в сосуд с дистиллированной водой высыпают навеску пыли и определяют количество осевшей пыли.

5. Плотность частиц. Различают истинную _тв, кажущуюся и насыпную _п плотности.

Истинная плотность — масса единицы объема вещества, из которого состоит пыль.

Кажущая плотность представляет собой массу единицы объема пыли (или гранулированного вещества), включая в этот объем и объем всех ее закрытых пор.

Насыпная плотность — масса единицы объема уловленной пыли, свободно насыпанной в емкость. Насыпная плотность учитывает воздушные прослойки между частицами и поэтому в 2–2,5 раз меньше истинной. При слеживании насыпная плотность увеличивается в 1,2–1,6 раз.

Значения плотности некоторых пылей приведены ниже, кг/м³:

Истинная Насыпная Истинная Насыпная

Асбестовая 2100–2800 600 Графитовая 1900–2300 1200

Коксовая 1200–1400 400–500 Мартеновская 4160 480

В технике пылеулавливания вводят значение относительной плотности, например, относительная плотность пылевого слоя в пылесборнике: n = _п/_тв,

Кроме этого существует и относительная плотность агрегатов в газовом потоке, характеризующая коагуляцию частиц. Относительные плотности зависят в основном от размера частиц. На основе анализа многочисленных пылей построены специальные номограммы для определения относительных плотностей.

6. Электрические свойства пыли. Электрические свойства пыли зависят от физико-механических и химических свойств (форма, дисперсность и т. д.), а также от внешних факторов — температуры, влажности и т. д. Электрические свойства влияют на поведение пыли в газоходах, пылеуловителях, прежде всего в электрофильтрах, сыпучесть пыли. Основными электрическими свойствами являются: удельное электрическое сопротивление и электрический заряд пыли.

Удельное электрическое сопротивление характеризует электрическую проводимость слоя пыли. По величине удельного электрического сопротивления пыль делят на три группы:

— хорошей проводимости (менее 10² Омм);

— средней проводимости (10²–10⁹ Омм);

— низкой проводимости (более 10⁹ Омм);

Удельное электрическое сопротивление определяют путем формирования определенного слоя пыли и измерения его электрического сопротивления. Наиболее удачными приборами для определения удельного электрического сопротивления считаются «Циклоном-1» и ИСП-1, разработанные НИИОгазом.

Электрический заряд может быть получен частицами, как в процессе образования, так и после при трении, а также вследствие адсорбции ионов при ионизации среды. При этом электрическое состояние аэрозольной системы не остается постоянным во времени. Знак заряда зависит от химического состава и свойств соприкасаемого вещества. Взвешенные вещества ряда аэрозолей несут электрические заряды следующего знака:

Вещества, заряженные положительно	Вещества, заряженные отрицательно
Апатит	Кальций
Крахмал	Кварцевый песок
Мрамор	Мука
Песок	Окись железа
Уголь	Окись цинка
Сера	Цинк

При высокой концентрации взвешенных веществ интенсифицируется процесс коагуляции за счет появления кулоновских сил между разноименными зарядами

7. Растворимость частиц. Определяется химическим составом частиц и влияет на работу мокрых пылеуловителей.

8. Способность частиц к самовозгоранию и образованию взрывчатых смесей с воздухом. Данные свойства являются крайне отрицательными свойствами многих видов пыли. Многие вещества в обычных условиях не являются взрывоопасными. Будучи же приведенными в пылевидное состояние становятся не только пожароопасными, но и взрывоопасными. Взрыв взвешенной в воздухе пыли — это резкое увеличение давления в результате очень быстро сгорания ее частиц.

Интенсивность взрыва пыли зависит от ее химических и физических свойств, от размеров и формы частиц, их концентрации в воздухе, от влагосодержания и состава газов, размеров и источника воспламенения, от дисперсности пыли. Возбуждение взрыва возможно лишь при определенных условиях: концентрация пыли должна быть между нижним и верхнем пределами (нижний 20–500 г/м³; верхний 700–8000 г/м³); наличие источника возбуждения взрыва достаточной температуры и мощности в запыленной зоне; питание кислородом, достаточное для обеспечения процесса горения (содержание О₂ должно быть больше 16%).

Способность частиц к самовозгоранию и образованию взрывчатых смесей с воздухом должно обязательно учитываться при проектировании систем очистки.

Определение концентрации взвешенных веществ. Методы измерения концентрации пыли делятся на две группы:

— основанные на предварительном осаждении частиц пыли и исследовании осадка;

— без предварительного осаждения.

Преимущества методов первой группы: возможность измерения массовой концентрации пыли.

Недостатки методов первой группы:

— циклический характер осаждения;

— большая трудоемкость;

— низкая чувствительность.

Преимущества методов второй группы:

— отсутствие необходимости использовать пробоотборное устройство;

— непрерывность измерений;

— высокая чувствительность;

— возможность полной автоматизации процесса.

Недостатки методов второй группы:

— влияние на результат свойств пыли;

— влияние на результат внешних факторов: температуры, влажности среды и т. д.

Применительно к непрерывному промышленному контролю наиболее приемлем второй метод, т. к. это позволяет получать мгновенное значение концентрации пыли, что в свою очередь позволяет организовать автоматическое регулирование режимов работы оборудования, установить сигнализацию об увеличении концентрации пыли выше допустимой. Однако методы второй группы не всегда можно использовать из-за большого влияния внутренних и внешних факторов.

Методы измерения концентрации пыли с помощью предварительного осаждения пыли. Существуют следующие методы измерения концентрации пыли, основанные на предварительном осаждении пыли.

1. Весовой метод. Весовой метод измерения концентрации пыли заключается в том, что некоторый объем воздуха пропускают через фильтровальный материал и находят массу этого материала до и после запыления. Концентрацию пыли рассчитывают по формуле:

, 1.2

где m — масса пыли в фильтре, v_в — объемная скорость просасывания воздуха через фильтр; t — время отбора пробы.

С гигиенической точки зрения оптимальной скоростью отбора пробы пыли является скорость отбора, равная скорости человеческого дыхания, т. е. скорость легочной вентиляции (10–15 л/ мин). Время отбора определяется исходя из необходимого объема воздуха, который в свою очередь принимают в зависимости от предполагаемой концентрации пыли:

Предполагаемая концентрация пыли, мг/м³ 2 2–10 10–50 50

Объем отбираемого воздуха, л 1000 500 250 100

С учетом погрешностей всех операций, осуществляемых при измерении концентрации весовым методом, средняя погрешность этого метода составляет 30%. При отборе проб пыли, масса которых составляет менее 1 мг, погрешность возрастает до 60%.

В настоящее время весовой метод широко используется для измерения запыленности как атмосферного воздуха и воздуха производственных помещений, так и отходящих газов промышленных выбросов. Метод признан стандартным в России, Англии, Франции, Бельгии, Нидерландах и других странах. Однако из всех существующих методов он наиболее трудоемкий, причем самой сложной операцией является отбор пробы пыли. Кроме того, метод является циклическим даже при полной автоматизации всех операций.

Схема установки представлена на рис. 1.10. В качестве побудителя движения воздуха чаще всего используется аспиратор модели 822 (рис. 1.11), состоящий из воздуходувки, электродвигателя и четырех ротаметров. Ротаметр предназначен для измерения расхода воздуха. Он представляет собой стеклянную трубку с поплавком. На трубке нанесена шкала; на двух — от 0 до 20 л/мин и на двух — от 0 до 1 л/мин. Первые два ротаметра служат при отборе проб воздуха на запыленность, вторые на загазованность.

В качестве фильтрующего материала используют аналитические фильтры аэрозольные АФА-ВП-10; АФА-ВП-20 с дисками из нетканого фильтрующего материала ФПП (фильтры перхлорвиниловые Петрякова), обладающие высокой степенью фильтрации (близкой к 100%) за счет своих электростатических свойств (рис. 1.12, а). Буква «В» означает, что фильтр пригоден для весового метода, цифры 10 и 20 обозначают площадь круга фильтра (см²).

Конструкция патрона представлена на рис. 1.12, б.

2. Денситометрический метод. Основан на предварительном осаждении частиц пыли на фильтре и определении оптической плотности пылевого осадка. Он включает все операции весового метода, исключая взвешивание пробы, которое заменено фотометрированием. Основной недостаток этого метода — зависимость результатов от оптических свойств пыли.

3. Радиоизотопный метод. Основан на использовании свойства радиоактивного излучения поглощаться частицами пыли. Непосредственно измерить поглощение радиоактивного излучения пылью, взвешенной в воздухе или движущейся в пылегазовом потоке, практически невозможно из-за малой концентрации пыли.

Рис. 1.10. Установка для определения запыленности воздуха:

1 — патрон с фильтрами; 2 — штатив; 3 — резиновая трубка; 4 — аспиратор

4. Метод, основанный на улавливании пыли водой. По степени помутнения воды судят о концентрации пыли в пылегазовом потоке, пропускаемом через воду.

5. Метод, механических вибраций. Основан на измерении изменений частоты колеблющегося элемента при осаждении на нем пыли. Обычно используется колеблющийся фильтр, укрепленный в пружинном держателе.

6. Метод, основанный на измерении перепада давления. Основан на том, что между сопротивлением фильтра воздушному потоку и количеством дисперсной фазы существует прямая связь. Пылегазовый поток пропускают с постоянной скоростью через фильтр и измеряют разности давления на входе и на выходе. Данный метод можно использовать для непрерывного измерения массовой концентрации пыли в потоке.

Методы измерения концентрации пыли без предварительного ее осаждении. Эти методы не требуют предварительного осаждения пыли и являются в основном бесконтактными. Определение в них концентрации пыли идет с помощью измерения оптических, электрических или др. косвенных параметров пылегазовой смеси.

Рис. 1.11. Аспиратор модели 822:

1 — колодка для присоединения электрического шнура; 2 — выключатель; 3 — электропредохранитель; 4 — предохранительный клапан для предотвращения перегрузки; 5 — ротаметры; 6 — ручки вентилей ротаметров для регулирования объемных расходов воздуха; 7 — штуцера для присоединения резиновых трубок к фильтрам.

Рис. 1.12. Устройство фильтра и патрона

а — фильтр АФА-ВП: 1 — защитные бумажные кольца; 2 — фильтр; 3 — корпус конусного патрона; 4 — зажимная гайка; б — патрон к фильтру АФА-ВП-10: 1 — зажимная гайка; 2 — корпус патрона

1. Оптические методы. В основе их лежит принцип измерения степени поглощения или рассеивания света частицами пыли в пылегазовой смеси.

Абсорбционный метод. Основан на явлении поглощения света при прохождении его через пылегазовую среду. В основе лежит закон Бугера-Ламберта-Бера, что оптическая плотность слоя пропорциональна концентрации пыли. Пропорциональность не прямая, т. к. пылинки нельзя рассматривать как абсолютно черные тела и имеют разный размер и форму.

Метод интегрального светорассеивания. Основан на измерении суммарной интенсивности рассеянного света. Способность частиц пыли рассеивать свет зависит от ряда факторов: от комплексного коэффициента преломления частицы, от угла рассеяния между направлением падающего и рассеянного света. Метод позволяет создать высокочувствительные пылемеры (чувствительность пылемера Sigrist составляет 0,005 мг/м³) и особенно эффективен при измерении малых концентраций.

Метод лазерного зондирования (лидарный метод). Основан на свойствах частиц поглощать или рассеивать лазерное излучение. При измерении света, рассеянного частицами, лазер и фотоприемник располагают рядом, и последний регистрирует интенсивность обратно рассеянного излучения. Метод лазерного зондирования позволяет выявить источники пылевыделения и их вклад в запыленность атмосферы на различных расстояниях от источника (до 10 км). Этот метод позволяет измерять концентрацию пыли в атмосфере, как от стационарных, так и от подвижных источников пылевыделения.

2. Электрические методы. В основе их лежит принцип измерения электрических параметров частиц пыли дистанционными (наведением полей) или контактными методами (заряжением).

Индукционный метод. Основан на определении индуцированного на электроде измерительной камеры заряда, возникающего при движении через камеру заряженных пылевых частиц. При этом не требуется осаждать пыль на электроде. Применение индукционного метода позволяет создать пылемеры довольно простой конструкции, однако методу присущи большие погрешности, т. к. распределение зарядов зависит от многих факторов и с течением времени может меняться в широких пределах. Этот метод особенно эффективен для анализа крупных частиц.

Контактно-электрический метод. Основан на способности пылевых частиц электризоваться при соприкосновении с твердым материалом. Основными элементами пылемера являются электролизатор, где происходит зарядка пылевых частиц, и токосъемный электрод, которому частицы передают свой заряд. При этом сила тока в цепи токосъемного электрода является мерой концентрации частиц пыли. В качестве материала электролизатора — фторопласт, эпоксидная смола с песком и графитом, асбоцемент.

Емкостный метод. Основан на измерении емкости конденсатора при введении частиц пыли между его пластинами. При использовании емкостного метода следует учитывать электрические свойства пыли.

Пьезоэлектрический метод. Основан на суммировании электрических импульсов, возникающих при соударении частиц с пьезокристаллом. Метод применим для регистрации частиц диаметром более 2 мкм.

Характеристика газообразных загрязняющих веществ. Наибольшее загрязнение открытого воздуха вызывают следующие классы вредных газообразных веществ.

1. Диоксид серы (SO₂). Бесцветный газ с острым запахом. Он образуется при сжигании ископаемого топлива (уголь и мазут) и при обработке серосодержащих руд сернистый газ улетучивается в воздух. К тому же и предприятия, производящие целлюлозу, выбрасывают его в воздух тоннами. Подсчитано, что США ежегодно выпускают (выбрасывают) в атмосферу 26 млн. т; равным образом причастна к этому и Европа, выпускающая 60 млн. т. При этом 93% поступающего в атмосферу SO₂ выбрасывается в северном полушарии и только 7% — в южном. В США более половины всего ущерба от загрязнения атмосферы приходится на диоксид серы.

Последствия выбросов диоксида серы — кислотные дожди, а также заболевания дыхательных путей (насморк, кашель, бронхит, астма), конъюнктивит, головная боль. Превращение SO₂ в SO₄^2– ускоряется в условиях влажных атлантических ветров, особенно в зимний отопительный сезон. Эти процессы получили известность в первую половину 20-го века, когда в результате мощных дымовых выбросов SO₂ в Лондоне возник густой туман, в котором происходило медленное образование аэрозоля серной кислоты — названного впоследствии смогом. В смоге помимо диоксида серы присутствует и ряд других компонентов, образующихся при сгорании топлива в печах и содержащихся в газах отопительных устройств и выхлопных газах автотранспорта. Особая трудность при определении вреда, нанесенного организму действием SO₂, заключается в том, что он часто проявляется совместно с действием других факторов, опасных для здоровья. Кроме того, диоксид серы негативно воздействует на растительность. Действие может оказываться непосредственно на листья растений, либо косвенно в виде кислотных осадков и через почву. В случаях достаточной амортизирующей способности земли преобладает первый эффект.

2. Оксид углерода (СО). Образуется при неполном сгорании углерода. Основные выбросы связаны с автотранспортом, так как у двигателей внутреннего сгорания оптимальные условия окисления топлива создаются только при выходе на определенный рабочий режим. Как правило, это соответствует 3/4 общей мощности двигателя; напротив, максимальные выбросы СО происходят на холостом ходу. Масса оксида углерода, поступающего в воздух в результате антропогенной деятельности, больше, чем любого другого вредного вещества.

Оксид углерода не имеет ни цвета, ни запаха, наши органы чувств не в состоянии его обнаружить. Попадая в кровь, СО конкурирует с кислородом за молекулы гемоглобина. Гемоглобин — белок, переносящий кислород из легких к клеткам, а углекислый газ обратно. Чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем больше гемоглобина связывается с ним, и тем меньше кислорода попадает в клетку.

По этой причине СО при повышенных концентрация представляет собой смертельно опасный яд. При низких концентрациях СО (до 0,013%) у человека снижается способность воспринимать сигналы, появляются головные боли, ослабляется зрение, возможна временная потеря сознания. При достижении концентрации до 0,066% возможна полная потеря сознания, паралич. При концентрации СО 0,075% в течении часа наступает летальный исход.

3. Оксиды азота (N_xО_y). Оксиды азота образуются в основном в результате окисления азота воздуха в зоне высоких температур. Поэтому, выбросы этого вещества значительны при сжигании всех видов топлива. По оценочным данным 64% выбросов NО_х осуществляются транспортом, 18% электростанциями, 12% промышленностью.

Большая часть выбросов оксидов (90%) — NO. Однако в воздухе она превращается в гораздо более опасный диоксид азота (диоксид азота в семь раз токсичнее оксида азота). Роль монооксида и оксида оценивается совместно, так как в атмосфере эти газы встречаются только вместе. NО₂ — газ с неприятным запахом. Как и СО, диоксид азота может связываться с гемоглобином, вызывать болезни дыхательных путей за счет превращения диоксида азота в азотную кислоту при контакте со слизистыми оболочками. Кроме того, при взаимодействии с фотохимическими окислителями и некоторыми органическими соединениями образует очень вредные соединения — пероксиацилнитратов (ПАН) — причина Лос-анжелесского смога. На растения оксиды азота могут действовать тремя путями: с помощью кислотных осадков, прямым контактом с растениями и косвенно путем фотохимического образования окислителей, таких, как О₃ и ПАН.

4. Углеводороды (метан, пары бензина, гексан и т. д.). Обладают наркотическим действием и в малых концентрациях вызывают головокружение, головную боль и т. д. Некоторые углеводороды могут быть опасными канцерогенами, например, бенз(а)пирен.

5. Альдегиды. Образуются в результате взаимодействия кислорода, оксидов азота и др. хим. соединений под влиянием солнечного света или при переработке органических веществ. Наиболее распространенный — формальдегид. Вызывает потерю аппетита, бессонницу, слабость и головную боль.

6. Соединения свинца и других тяжелых металлов. Свинец — кумулятивный яд, т. е. он постепенно накапливается в организме человека. Присутствующий в атмосфере свинец непрерывно добавляется к тому количеству, которое уже содержится в нашем организме. Свинец уменьшает скорость образования эритроцитов в костном мозге и блокирует синтез гемоглобина, что приводит к умственной отсталости у детей и гипертонии у взрослых. Основной источник поступления свинца в воздух краски (белил) и сгорание бензина с добавлением тетраэтилсвинца, либо тетраметилсивнца.

7. Углекислый газ. Газ без цвета и запаха, образуется при сжигании различных топлив. Этот газ стоит особняком, так его нельзя считать непосредственным загрязнителем. Основная опасность — парниковый эффект, который может обусловить глобальное потепление при повышении его содержания в атмосфере (см. гл. 1.1). При содержании углекислого газа в воздухе 10% человек начинает испытывать головную боль, шум в ушах. При содержании 20% наступает смерть.

Естественно, в воздухе могут находиться и другие вредные газообразные вещества, обусловленные наличием по близости того или иного производства.