2. Методи і прилади для контролю забрудненням повітряного середовища

Для отримання об'єктивної інформації про стан і рівень забруднення повітряного середовища необхідно розташовувати надійними методами аналізу. Ефективність будь-якого методу оцінюється сукупністю показників: - Селективністю і точність; - Відтворюваністю одержуваних результатів; - Чутливістю визначення; - Межами виявлення; - Експресність виконання аналізу.

Для контролю забруднення середовища газо- і пароподібними шкідливими речовинами застосовують газоаналізатори, а для вимірювання концентрації дисперсних забруднювачів - пилеміри різних типів.

2.1. Газоаналізатори В арсеналі аналітичних засобів контролю концентрації газо- і пароподібні забруднювачів значне місце займають експресні методи. Серед експресних методів найбільш поширеними є колориметричні. В основі кожного з них лежить кольорова реакція, фотоколориметричний і лінійно-колористичний методи. Принцип дії газоаналізаторів, що реалізують фотоколориметричний метод, заснований на освіті специфічно забарвлений-них продуктів деяких хімічних реакцій, що протікають в розчинах або на реактивній папері, поверхня якої з одного боку омивається сумішшю газів, яка містить контрольовану речовину. Інтенсивність забарвлення плями служить мірою концентрації контрольованого речовини. До достоїнств фотоколориметричних газоаналізаторів слід віднести високу чутливість і хорошу вибірковість. Широку популярність здобули універсальний стрічковий газоналізатор ФЛ5501М (табл. 4), газоаналізатор сірководню ФКГ-2, газоаналізатори типу ФГЦ - для сірководню, аміаку, фосгену.

Таблиця 4

Основные характеристики газоанализатора фл5501м

Анализируемый газ	Диапазон измерения, мг/м3	Минимальная измеряемая концентрация, мг/м3
Диоксид азота	0-5	0,5
Диоксид серы	0-20	2,0
Аммиак	0-1	1,0
	0-10
Озон	0-0,5	0,05
Сероводород	0-1	0,1
Хлор	0-10	0,5
	0-5

У приладі застосована двохфотоелементна схема з електричною компенсацією. Схема газоаналізатора представлена ​​на рис. 7. Повітря, засмоктуваний повітродувкою 9, в залежності від положення газового крана 1 проходить через фільтр 2 або через ротаметр 3 в Реакційну камеру 4. Фільтр 2 призначений для поглинання аналізованого

Рис. 7. Схема газоаналізатора ФЛ5501М

речовини і застосовується при налаштуванні газоаналізатора і перевірці нульового показання приладу. Змочений ділянку індикаторної стрічки 5 за допомогою механізму протягування стрічки переміщається в герметичному роз'ємі камери, де через стрічку просочується аналізований повітря. Для стабілізації швидкості просочування повітря за реакційної камери встановлений дросель 6. Фільтр 7 призначений для захисту повітродувки 9 від агресивних парів і газів, що виділяються реактивним разчином. За допомогою запірно-регулюючого вентиля 8 встановлює швидкість проходження повітря через прилад (0,15-1 л / хв) і контролюють її ротаметром 3. Перед аналізом стрічку змочують реактивним розчином. Дозатор забезпечує періодичне нанесення на стрічку розчину, що дає можливість приладу безперервно працювати 7-10 діб. Залежно від швидкості протікання реакції час взаємодії повітря з індикаторною стрічкою встановлено рівним 2,5; 5 або 10 хв. Таким чином, прилад працює циклічно, показання видають ¬ ся відповідно один раз за 2,5, 5 або 10 хв.

У процесі взаємодії аналізованої речовини з реактивним розчином утворюється забарвлене пляма. Інтенсивність забарвлення ПЛЯМ пропорційна концентрації аналізованого речовини. По закінченні циклу стрічка з пофарбованим плямою переміщається перед робочим фотоелементом. Вимірювання здійснюють шляхом зіставлення світлового потоку, відбитого від плями на стрічці, з еталонним світловим потоком. При нерівності світлових потоків на повторювач сигналу надходять нерівні сигнали від фотоелементів. За допомогою компенсаційного двигуна схема наводиться в рівновагу. Основна похибка вимірювання не перевищує +10%. Час не-перериваної роботи приладу без перезарядки від 75 до 300 годин.

Лінійно-колористичний метод заснований на отриманні забарвленого шару індикаторного порошку. Довжина пофарбованого шару пропорційних концентрації контрольованого речовини в повітрі, простягаємо через індикаторну трубку. Особливість методу лежить в тому, що реакція між контрольованим речовиною і реактивом, нанесеним на зерна носія, протікає в динамічних умовах. Тому реактивами можуть служити тільки такі сполуки, які при швидкій реакції з контрольованим речовиною дають яскраво забарвлені продукти. На лінійно-колористичному методі ґрунтується універсальний газоаналізатор УГ-2 (табл. 5). У комплект УГ-2 входить повітрозабірний пристрій з набором індикаторних трубок. Принцип дії газоаналізатора заснований на протягуванні через індикаторну трубку строго певних обсягів досліджуваного повітря. Повітрозабірний пристрій за рахунок розрідження, що виникає при розтягуванні гумового сильфону, простягає повітря через індикаторну трубку.

Таблиця 5

Основні характеристики універсального газоаналізатора УГ-2

Анализируемый газ	Диапазон измерения концентрации, мг/м3	Объем пробы воздуха, мл	Время отбора пробы, мин
Диоксид азота	0-50	325	5
	0-50	150	3
Сероводород	0-30	300	5
	0-300	30	2
Диоксид серы	0-30	300	5
	0-200	60	3
Углерода диоксид	0-15000	400	8
Углерода оксид	15-120	220	8
Аммиак	0-1400	265	6
Хлор	0-15	350	7
	0-80	100	4
Бензин (пары)	0-1000	300	7
	0-5000	60	4

Газоаналізатор простий у роботі, легкий і має невеликі розміри. Тривалість одного виміру складає не більше 8 хв. До недоліків газоаналізаторів, заснованих на фото-колориметричному і лінійно-колористичному методах аналізу, слід віднести інерційність вимірів і залежність чутливості від обсягу аналізованої проби. Широке поширення отримали газоаналізатори, засновані на поглинанні газами інфрачервоного випромінювання (ІЧ-випромінювання) в характерна для них ділянках спектра, в яких використовується селективний оптико-акустичний приймач. Такий приймач, наповнений будь-яким газом, є виборчим, так як процес поглинання променистої енергії та пов'язані з ним коливання тиску і температури відбуваються тільки при певних довжинах хвиль, відповідних спектру поглинання газу, яким заповнений приймач. До достоїнств оптико-акустичних газоаналізаторів слід віднести безперервність процесу вимірювання та швидкодію.

До недостатків - невисоку чутливість і перекривання в ІЧ-спектрі смуг поглинання різних речовин, що містяться в повітрі. Підвищення чутливості газоаналізаторів можливо за рахунок збільшення довжини оптичного шляху потоку ІЧ-випромінювання, що проходить через досліджувану пробу повітря. На цьому принципі дії побудований автоматичний оптико-акустичний газоаналізатор ГМК-3 (рис. 8), який призначений для визначення в повітрі концентрації оксиду вуглецю [8]. Газоаналізатор має три шкали вимірювань: 0-40, 0-80, 0-400 мг/м3. Прилад має високу вибірковість, оскільки із зазвичай містящих в повітрі речовин тільки пари води істотно впливають на визначення вмісту оксиду вуглецю в аналізованому повітрі. Для видалення вологи використовується блок попередньої підготовки газу.

Рис. 8. Схема ГМК-3

Джерелом 1 ІЧ-випромінювання служать дві ніхромові спіралі, нагріваючих електричним струмом. По ходу одного з променів розташовується порівняльна кювету 2, заповнена інертним по відношенню до ІЧ-випромінювання газом - азотом, по ходу іншого - кювета 6 з аналізованої газової сумішшю. Приймач 5 розділу на дві частини конденсаторним мікрофоном 4. Між кюветами 2 і 6 і приймачем 5 знаходиться обтюратор 3, за допомогою якого потоки випромінювання перериваються з частотою 6,25 Гц. Приймач 4 заповнений сумішшю оксиду вуглецю з аргоном. Останнє забезпечує виборчість аналізу, так як в приймачі коливання температури і тиску газу будуть виникати тільки за рахунок поглинання ІЧ-випромінювання, що відповідає спектру поглинання оксиду вуглецю. Під впливом інфрачервоного випромінювання газ у приймальнику нагрівається, і внаслідок цього підвищується тиск. При зміні тиску змінюється ємність конденсаторного мікрофона. Якщо обидва потоку ІЧ-випромінювання однакові, то пульсацій тиску в приймачі не відбувається, ємність мікрофона не змінюється і електричний сигнал з приймача відсутня. Якщо проба повітря містить оксид вуглецю, вона відбирає у проходить через неї потоку частина ІЧ-випромінювання. В результаті газ у приймальнику буде нагріватися від різних потоків неоднаково. У приймальнику виникнуть пульсації тиску з частотою, рівною частоті переривання потоків з допомогою обтюратора. Один з електродів конденсаторного мікрофона почне коливатися, ємність його буде змінюватися, і на виході приймача з'явиться електричний сигнал, що залежить від концентрації оксиду вуглецю в газовій суміші.

Для контролю за концентрацією діоксиду сірки призначений автоматичний газоаналізатор 667ФФ [8]. В основу роботи газоаналізатора покладено флюоресцентний метод. Суть методу полягає в реєстрації флюоресцентного випромінювання молекул діоксиду сірки, виникаючого під дією ультрафіолетового випромінювання (УФ-випромінювання). Збудження молекул діоксиду сірки відбувається в спектральній області 220-240 нм, що виділяється за допомогою первинного світлофільтру із спектру випромінювання імпульсної ксенонової лампи. У спектральній області 220-240 нм молекули води і оксидів азоту не впливають на флюоресценцію. Процес збудження описується таким чином:

де h - постійна Планка, V1 - частота збуджуючого випромінювання. Збуджена молекула переходить в основний стан після випромінення кванта світла

де V2-частота випромінювання при флюоресценції в діапазоні довжин хвиль 200-400 нм.

Інтенсивність випромінювання пропорційна концентрації діоксиду сірки. Реєстрація флюоресцентного випромінювання молекул діоксиду сірки проводиться за допомогою фотоелектронного помножувача (ФЕП) в спектральний області 260-370 нм, що виділяється вторинним світлофільтром. Допоміжним, але необхідним вузлом газоаналізатора є осушувач газової проби. Волога, що знаходиться в повітрі, викликає частинне гасіння флюоресценції, що призводить до зниження чутливості приладу. Осушення газової суміші відбувається в дифузійному осушувачі. Основні технічні характеристики газоаналізатора 667ФФ01:

*діапазони вимірювання масової концентрації 0-0,5; 0-1,5; 0-5,0 мг/м3; *час встановлення показів газоаналізатора не більше 240 с;

*час прогрівання газоаналізатора не більше 3 годин;

*значення допустимої основної зведеної похибки на всіх діапазонах не перевищує +20%. Хемілюмінесцентне визначення діоксиду азоту в атмосферному повітрі, крім більш високої чутливості і експресності, перевершує інші методи і по специфічності аналізу. Присутність діоксиду сірки, сірководню, оксиду та діоксиду вуглецю практично не заважає визначенню.

Для інструментального контролю оксиду азоту NO, діоксиду азоту NO2 і суми оксидів азоту NOx призначений автоматичний хемілюмінесцентний газоаналізатор 645ХЛ всіх модифікацій [8]. В основу методу покладена реакція озону з оксидом азоту, в результаті якої утворюється діоксид азоту у збудженому стані:

Озон, необхідний для протікання зазначеної реакції, виходить в генераторі озону газоаналізатора з кисню, очищеного від пилу і вологи атмосферного повітря при високовольтному розряді. З порушеної діоксид азоту переходить в основний стан з випусканням інфрачервоного випромінювання, що лежить в області спектра 620-2500 нм з максимумом при 1200 нм:

Приймачем випромінювання служить фотоелектронний помножувач. Інтенсивність випромінювання пропорційна числу взаємодіючих молекул, тобто концентрації оксиду азоту. Оскільки в сумі оксидів азоту в атмосферному повітрі NO звично переважає над NO2, в газоаналізаторі передбачена можливість одночасного визначення обох оксидів шляхом конверсії NO2 в NO і наступного окислення NO озоном.

Для визначення концентрації діоксиду азоту в атмосферному повітрі попередньо відновлюється діоксид азоту до оксиду азоту в спеціальному конверторі газоаналізатора. Конвертор являє собою трубку з нержавіючої сталі діаметром 6-8 мм і довжиною 15-20 см, в яку поміщають молібденову або вольфрамову спіраль. Молібденовий каталізатор дозволяє проводити конверсію, починаючи з 480-520 °С, вольфрамовий - з 520-550 °С. У цьому режимі роботи конвертора вимірюється випромінювання від сумарної концентрації оксидів азоту (NO + NO2). Потім концентрація діоксиду азоту визначається по різниці електричних сигналів

Таким чином, газоаналізатор 645ХЛ дозволяє по трьох каналах вимірювати концентрації оксиду азоту, діоксиду азоту та оксиду суми і діоксиду азоту.

Основні технічні характеристики газоаналізатора 645ХЛ01: діапазони вимірювання масової концентрації 0-0,25; 0-0,75; 0-2,5; 0-7,5 мг/м3; час прогріву і виходу на робочий режим не більше 3 год; значення допустимої основної зведеної похибки на всіх діапазонах не перевищує для оксиду і для діоксиду азоту +20%, а для суми оксиду і діоксиду азоту +30%.

Для визначення вмісту токсичних органічних речовин в атмосферному повітрі призначені газоаналізатори, засновані на полум'яно-іонізаційному методі. Суть методу полягає в іонізації молекул органічних речовин в полум'ї водню і наступному вимірі іонізаційного струму. Полум'яно-іонізаційний детектор (ПІД) є іонізаційні камеру, в якій встановлені полум'яна пальник, колекторний електрод і запалює спіраль. Усередині корпусу іонізаційної камери може бути розміщена також термопара як індикатора горіння полум'я. На корпус пальника (ізольований від корпусу іонізаційної камери) подається постійна напруга 100-300 В, створюючи електричне поле між корпусом пальника і колекторним електродом. У пальник подається суміш водню з аналізованих газом, а в іонізаційну камеру - повітря для підтримки горіння полум'я.

Полум'яно-іонізаційний метод покладений в основу роботи переносного газоаналізатора для сумарного визначення органічних речовин [7] (рис. 9). Аналізований повітря надходить в газоаналізатор через забірну трубку, змонтовану разом з реєструючим приладом 1 в невеликому окремому блоці, забезпеченому власником. За допомогою насоса 5, живлячого батареєю акумуляторів, повітря засмоктується в прилад, проходить через регулюючий вентиль 2, манометр 3, капілярну спіраль 4 і надходить в водневе полум'я детектора 8.

Рис. 9. Схема полум'яно-іонізаційного газоаналізатора

Очищене повітря і електролітичний водень подаються до пальника через газоподводуючі трубки. Після того як пальник почне працювати, стрілку вимірювального приладу встановлюють на нуль, включають насос, і досліджуваний повітря надходить в водневе полум'я. Струм іонізації проходить через підсилювач 9 і реєструється приладом. Значення струму пропорційно кількості вуглецю, згорає в одиницю часу. Водень подається з балона 6, а повітря для підтримки горіння полум'я - з балона 7. Мінімальна визначувана концентрація органічних речовин становить 0,006 мг/м3. При визначенні вуглеводнів в атмосферному повітрі велике значення має вимір суми вуглеводнів, які вступають у реакцію з оксидами азоту і утворюють фотохімічний зміг. У послідній час розроблений ряд газоаналізаторів, що дозволяють визначати суму вуглеводнів за вирахуванням метану. Такі газоаналізатори включають пристрої для відділення метану від загальної суми вуглеводнів. До зазначених газоаналізатора відноситься газоаналізатор 623НН [8]. Прилад виконаний по двоканальної схемою. Потік аналізованого атмосферного повітря ділиться на дві рівні частини. На один ПІД, де реєструється загальна сума вуглеводнів, аналізований повітря поступає без змін. Інша частина потоку проходить через пристрій розділення вуглеводнів, де відбувається відділення метану від решти вуглеводнів. Другий ПІД реєструє лише метан.

Значення концентрації суми вуглеводнів за вирахуванням метану виходить як різниця електричних сигналів з двох датчиків. Відносна чутливість ПІД до деяких вуглеводнів:

метан (CH₄) 1;

этилен (C₂H₄) 0,60-0,77;

ацетилен (C₂H₂) 0,65-0,79;

пропан (C₃H₈) 0,65-0,81;

бензол (C₆H₆) 0,65-0,82.

Розкид значень чутливості ПІД до різних вуглеводнів укладається в похибка газоаналізатора. До достоїнств газоаналізаторів, заснованих на полум'яно-іонізаціоному методі, слід віднести безперервність процесу вимірювання, швидкодію і високу чутливість. До недоліків - відсутність вибірковості. Для роздільного визначення органічних речовин ПІД повинен бути приєднаний до хроматографу.

2.2. Пиломіри Значну частину промислових викидів, що забруднюють повітряний басейн, становить пил. Вміст пилу в атмосфері визначається як розмірами викидів промислових підприємств, так і інтенсивністю її надходження від природних джерел. Методи вимірювання концентрації пилу ділять на дві групи: методи, засновані на попередньому осадженні, і методи без попереднього осадження пилу. Основним показником для гігієнічної оцінки стану повітряного середовища є маса зваженої пилу з урахуванням її дисперсності. Тому основною перевагою методів першої групи є можливість вимірювання масової концентрації пилу. До недоліків слід віднести тривалість відбору проби, трудоємкость аналізу. Переваги методів другої групи - можливість безпосередніх вимірювань в самому пилоповітряному середовищі, безперервність вимірювань, висока чутливість. Істотний недолік - вплив змін властивостей пилу, особливо дисперсного складу. Для контролю пилу, властивості якої змінюються в часі в широких межах, доцільно використовувати методи, засновані на попередньому осадженні пилу. З них найбільш широко застосовують радіоізотопний метод, на точність якого не впливає зміна хімічного складу пилу.

Радіоізотопний метод вимірювання концентрації пилу заснований на використанні властивості радіоактивного випромінювання поглинатися частинками пилу. Повітря попередньо фільтрують і потім визначають масу осілого пилу з ослаблення радіоактивного випромінювання при проходженні його через пиловий осад. Масу пилу на фільтрі визначають, виходячи з залежності [9]

де I і I0-інтенсивність радіоактивного випромінювання після проходження його через пиловий осад на фільтрі і через чистий фільтр; μm - масовий коефіцієнт поглинання радіоактивного випромінювання; m - маса осілого на фільтрі пилу. Масовий коефіцієнт поглинання μm залежить від виду та енергії випромінювання. При визначенні концентрації пилу радіоізотопним методом найбільш широко використовують бета-випромінювання, так як воно має достатню проникаючою здатністю і досить добре підчиняться експоненціальним законом. Радіоізотопний пиломір Прима-03 (рис. 10) призначений для визначення концентрації пилу в атмосферному повітрі і в повітрі виробничих приміщень.

Товщина пилового осаду визначається з поглинання бета-частинок. Запилений повітря просочується через фільтр за допомогою повітродувки 10. Пил осідає на фільтрувальну стрічку 2 типу НЕЛ-3, яка намотується на касети 1 за допомогою механізму перемотування стрічки 6. Під час визначення маси чистого стрічки або пилового осаду фільтрувальної стрічки 2 поміщається між джерелом бета-випромінювання 4 і детектором 9 за допомогою механізму переміщення 5. При відборі проби повітря фільтрувальний стрічка 2 встановлюється механізмом переміщення 5 Над вікном 3 газозабірного каналу. Випромінювання, що пройшло через фільтр, реєструється детектором 9. Вихідний сигнал подається на блок обробки сигналу 8 і потім на індикатор 7. Основні технічні характеристики Прими-03: інтервал вимірюваних концентрацій 0,05-100 мг/м3; похибка вимірювання ± 25%; час відбору проби 1-45 хв; маса 5,5 кг.

Рис. 10. Схема пиломіра Прима-03

До методів, заснованим на попередньому осадженні пилу, відноситься і фотометричний метод. Цей метод вимірювання базується на визначенні оптичної щільності пилового осаду. Оптичну щільність пилового осаду можна визначати шляхом вимірювання поглинання або розсіювання їм світла. Визначення оптичної щільності пилового осаду по поглинання засноване на визначенні інтенсивності світла I, що пройшов через шар [9]:

де I0 - інтенсивність початкового світлового потоку; ξ- показник поглинання світла, що припадає на одиницю концентрації пилу; C - концентрація пилу, що накопичується на фільтрі; L - товщина шару пилу.

Оптична щільність пилового шару

Вимірювання інтенсивності світла, розсіяного осів на фільтрі пилом, покладено в основу роботи пиломіра ФЕКП-3 [9].

Прилад складається з поршневого насоса з пружинним приводом, фільтропротяжного механізму і фотометра. Фотометр складається з мініатюрної лампи розжарювання і двох фотоприймачів, розташованих так, щоб проти одного з чистим фільтр, а проти іншого - фільтр з пиловим осадом. Фотоприймачі, в якості яких використовуються фоторезистори, включені в бруківку вимірювальну ланцюг. У вимірювальну діагональ моста включений прилад, що фіксує результати вимірювання концентрації пилу.

Основні технічні характеристики пиломіра ФЕКП-3:

*інтервал вимірюваних концентрацій 0-4000 мг/м3;

* похибка вимірювання +24%; *мінімальна визначається концентрація пилу 10 мг/м3; час відбору проби 1-1,5 хв. У пиломірі ДПВ (рис. 11) реалізований метод, заснований на вимірювання інтенсивності світла, що пройшло через осад пилу [9].

Рис. 11. Схема пиломіра ДПВ

Запилене повітря за допомогою аспіратора подається в класифікатор 5, виконаний у вигляді пластинки з системою клапанів, в яких походить ¬ ходить поділ пилу на дві фракції (більше і менше 5 мкм). Обидва пилоповітряних потоки, кожен з яких містить певну пилову фракцію, проходять через різні вікна класифікатора, покриті з одного боку плівкою з прозорого поліетилену, а з другого боку - фільтром. Потім потоки проходять через фільтр, залишивши на ньому два пилових плями, і викидаються в атмосферу. Оптична щільність пилових опадів визначається двоканальним фотометром. У вимірювальному каналі світло від джерела 3 проходить через заслінку 4, прозору поліетиленову плівку, класифікатор 5, фільтр 6 і потрапляє на вимірювальний фотоприймач 7. У каналі порівняння світло від того ж джерела через регулювальний гвинт 2 подається на фотоприймач порівняння 1. Як фотоприймачів служать фоторезистори, які включені в бруківку вимірювальну ланцюг. Оптичну щільність пилових опадів на фільтрі визначають послідовно.

Основні технічні характеристики пиломіра ДПВ: інтервали вимірюваних концентрацій 0-30; 0-60; 0-300; 0-600; 0-3000 мг / м; похибка вимірювань +10%; тривалість одного виміру 1-5 хв. До оптичних методів вимірювання концентрації пилу без попереднього його осадження відноситься метод інтегрального світлорозсіювання. Він дає можливість визначати масову концентрацію частинок пилу з вимірювання сумарної інтенсивності розсіяного світла. Інтенсивність I розсіяного світла визначається виразом

де z - коефіцієнт пропорційності; r - радіус частинок; N - розрахунокова концентрація часток. Значення показника n залежить від розміру часток. Для частинок радіусом r <0,1 мкм n = 6, для частинок радіусом r> 1 мкм n = 2, а для частинок радіусом від 0,1 до 1 мкм n = 6-2.

3. ВИДИ ЗАВДАНЬ І ВИХІДНІ ДАНІ