1.4 Методы исследования массой концентрации аэрозолей

Для контроля массовой концентрации аэрозолей применяют технические средства, работа которых основана на различных методах: гравиметрическом, фотометрическом и нефелометрическом. Гравиметрический метод измерения концентрации аэрозоля [23] заключается в выделении частиц из аэрозольного потока с последующим осаждением их на аналитическом фильтре и осушении. По величине привеса на фильтре с учетом объема пробы определяется массовая концентрация аэрозоля. Концентрацию аэрозоля рассчитывают по формуле:

где m – масса дисперсной фазы аэрозоля на фильтре; Q_в – объемный расход воздуха;  – время отбора пробы.

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.

Революционно новый гравиметрический метод пьезобалансового взвешивания осажденной пробы пыли был впервые успешно промышленно реализован фирмой KANOMAX в анализаторе респираторных аэрозолей модели 3521 для контроля малых (0,01...10 мг/м³) концентрации в рабочей и жилой зонах. Принцип работы прибора заключается в периодическом отборе пробы аэрозольных частиц через импактор, который из общей массы частиц отделяет респираторные (до 10 мкм) фракции, в последующем их заряде на коронирующем электроде и затем осаждении на поверхности осадительного электрода. В качестве такого элетрода используется пьезоэлемент (кварц). Отбор пробы осуществляется внутренним насосом прибора. Кварцевый пьезоэлемент включен в цепь генератора электрических колебаний. При осаждении пыли на его поверхности изменяется вес пьезоэлемента и как следствие частота его колебаний. Изменение частоты линейно зависит от массы осажденной на элемент пыли и является величиной измеряемой весовой концентрации аэрозоля. Диапазон измерения пьезоэлектрического измерителя Piezobalance Model 3500 массовой концентрации аэрозолей с диаметром частиц 0,01-10 мкм 0,01-20 мг·м^-3.

Фотометрический метод основан на абсорбции (ослаблении) интенсивности светового потока, вызванной его поглощением аэрозольными компонентами, а нефелометрический – на регистрации рассеянного отраженного светового потока, вызываемого аэрозольными частицами, находящимися в зоне действия основного светового потока.

Первый из них, абсорбционный, получил весьма широкое распространение для контроля запыленности в промышленных выбросах. Он реализован в изготавливаемых фирмой SICK (Германия) моделях OMD41, RM210 и FW56, а также в отечественном анализаторе ИКВЧ-С, выпускаемом Смоленским ФГУП "Аналитприбор". Главным недостатком фотометрического абсорбционного метода является его низкая чувствительность при измерении малых концентраций аэрозольных частиц (менее 30 мг/м³), а также невозможностью контроля высоких концентраций (более 10...12 г/м³) вследствие практически полного поглощения светового излучения.

В случае измерения малых концентраций аэрозольных частиц гораздо более эффективным оказывается нефелометрический метод, основанный на регистрации прямого, бокового и обратного рассеяния света. Действие лазерных датчиков аэрозолей типа ЛАД основано на анализе импульсов света, рассеянного отдельными частицами аэрозолей при их прокачивании через лазерный луч. Световые импульсы преобразуются фотоприемником в электрические, амплитуда которых пропорциональна геометрическим размерам частицы. Микропроцессорный блок датчика ЛАД может быть выполнен в двух вариантах: счетчика, подсчитывающего общее число импульсов, амплитуда которых превышает заданную величину (т.е. число частиц с диаметром больше заданного). Второй режим - многоканального амплитудного анализа. В этом случае датчик превращается в лазерный аэрозольный спектрометр, измеряющий функцию распределения частиц по размерам. Датчики ЛАД имеют расход анализируемой среды до 15 л/мин, чувствительность по диаметру измеряемых частиц от 0.2 до 0.4 мкм в зависимости от модификации. Фотоэлектрический счетчик частиц "Royco-218" имеет диапазон измеряемых размеров по диаметру 0,5-5 мкм, верхний предел измеряемых концентраций – 2·10² см^-3. Для контроля промышленных процессов используются приборы моделей FW100 FW200 фирмы SICK, АЭРОКОН-С производства НПО "ЭКО-ИНТЕХ", а метод бокового рассеяния света для контроля массовой концентрации аэрозолей в рабочей и жилой зоне используется в приборах АЭРОКОН производства НПО "ЭКО-ИНТЕХ", приборе модели 3431 фирмы KANOMAX, моделях TM-data, TM-digital, TM-F и TM-M фирмы HUND.

Серьезным недостатком нефелометрического метода прямого рассеяния при контроле массовой концентрации промышленных пылевых аэрозолей с широким дисперсным составом является резкая потеря чувствительности при измерении концентрации частиц диаметром более 810 мкм, что существенно снижает и даже исключает возможность их применения во многих отраслях. Это связано с тем, что при таком соотношении длины волны светоизлучателя и размеров измеряемых частиц уже действуют законы распространения электромагнитных волн, основанные на теории зон Френеля, а не теории Ми. Поэтому приборы, использующие нефелометрический метод, применяются в основном там, где выбрасываются мелкодисперсные аэрозольные частицы.

Существует группа приборов, принцип работы которых основан на поглощении мягкого бета-излучения (источник углерод-14) пылевыми частицами, осажденными из воздуха на высокоэффективной фильтрующей ленте. ИКАР ФБ-01 имеет пределы измерения массовой концентрации 0,5-500 мг/м³.

В последнее время на рынке стационарных средств непрерывного измерения концентрации аэрозолей появился новый вид приборов, работа которых основана на измерении индуцированного заряда на изолированном измерительном электроде, располагаемом в металлическом газоходе, по которому движется пылегазовый поток. Индуцированный заряд возникает при взаимодействии движущихся аэрозольных частиц с поверхностью электрода, при этом его величина пропорциональна массовой концентрации аэрозоля в широком диапазоне измерений.

Эти приборы называют трибоэлектрическими. Их можно разделить на приборы, измеряющие постоянную составляющую трибоэлектрического сигнала, и на приборы, измеряющие переменную составляющую трибоэлектрического сигнала (электродинамический наведенный заряд). К первым относятся приборы фирм Auburn, FilterSense, Babbit и Bindicator (США), фирм Dr. Foedich и MRU (Германия), ко вторым – электродинамические приборы серии S300 (S301/S303/S304/S305), прибор контроля рукавных фильтров Snifter фирмы Sintrol (Финляндия), а также модели приборов DT, DS и DA фирмы PCME (Англия).