CC BY
453
УДК 681.7:574 С.В. Хатюшин СГГ А, Новосибирск
К ВОПРОСУ О СРЕДСТВАХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЦЕНТРОВ
Пылемеры - приборы для определения концентрации или дисперсного состава, т. е. распределения по размерам (в интервале от 0,3 до нескольких десятков мкм), взвешенных в атмосферном воздухе или промышленных газах твердых частиц (пыли, дыма) аэрозолей.
Концентрацию пыли можно измерять без отбора пробы запыленного газа и с ее отбором. В последнем случае необходимо, как правило, получать осадок пыли; для ряда приборов наличие такого осадка не требуется.
Массовые пылемеры - ручные либо автоматические приборы периодического или непрерывного действия. Пробу запыленного газа отбирают через специальную трубку, установленную входным отверстием навстречу газовому потоку с соблюдением равенства скоростей газа во входном сечении трубки и в потоке. Фиксированный объем пробы просасывают через фильтр и по его привесу находят массу выделенной из газа пыли. Ее концентрацию определяют по отношению массы пыли к данному объему газа. Фильтрующие материалы имеют тонковолокнистую структуру (стеклянные, синтетические или минеральные).
К массовым пылемерам относят радиоизотопные приборы для автоматического измерения концентрации пыли по приросту массы осадка на фильтре. Действие их основано на пропускании b- или g-излучения через предварительно запыленный фильтр и нахождении степени поглощения этого излучения. Непрерывная работа таких приборов достигается применением движущихся ленточных стекловолокнистых фильтров.
В фотометрических пылемерах, используемых преимущественно для анализа атмосферного воздуха, массу пыли оценивают по интенсивности света, рассеянного (поглощенного) осадком на фильтре (обычно ленточном). Для контроля концентраций промышленной пыли наибольшее распространение получили оптические пылемеры, действие которых основано на поглощении или рассеянии светового пучка, пропущенного через слой запыленного газа в газоходе. В первом случае луч света от источника проходит через газовый поток и, будучи ослабленным за счет поглощения частицами пыли, попадает на один из двух фотоприемников. Одновременно на другой фотоприемник падает луч сравнения. При мостиковой схеме соединения обоих фотоприемников возникает сигнал рассогласования, который является степенью поглощения пучка света частицами пыли. Отличие пылемеров, измеряющих общее рассеяние света запыленным газовым потоком, состоит в том, что на фотоприемник поступают световые импульсы, рассеянные отдельными частицами пыли (рис. 1). Оптические пылемеры - автоматические приборы, требующие калибровки для каждого вида пыли, т.к. их показания зависят от ее дисперсного состава и оптических свойств. Применение ИК-излучения
позволяет уменьшить нижний предел измерений этих пылемеров с 30-50 до
-5
10 мг/м .
7
Рис. 1. Оптический пылемер:
1, 5-защитные стекла; 2-газоход; 3, 4-световые ловушки; 6, 10-линзы; 7-мостовая измерит
схема; 8-фотоприемник; 9-источник света
Широкую группу пылемеров составляют автоматические приборы, в которых непрерывно отбираемую пробу газа анализируют без получения пылевого осадка. Наиболее просты контактно-электрические пылемеры, действие которых основано на приобретении частицами пыли при трении о внутреннюю поверхность обычно пластмассовой трубки трибоэлектрического заряда; его величина пропорциональна площади поверхности частиц. Недостаток таких пылемеров - зависимость концентрации пыли не только от распределения частиц по размерам, но и от их электрических свойств. В индукционных пылемерах предварительно заряженные пылевидные частицы пропускают через измерительную камеру со специальным электродом, на котором индуцируется заряд, служащий мерой общего заряда частиц, определяемого площадью их поверхности и, значит, мерой концентрации при условии постоянства дисперсного состава пыли. В емкостных пылемерах запыленный воздух просасывают через трубку, внутри которой установлено устройство в виде двух пластин; между ними помещена сетка, находящаяся под напряжением. Устройство включено в контур генератора, частота колебаний которого f изменяется по мере осаждения частиц на сетке; изменение f - мера массы осажденной пыли.
'У
Для измерения низких (до единиц мг/м ) концентраций пыли, присутствующей в основном в атмосферном воздухе, применяют фотоэлектрические счетчики, в которых запыленный воздух пропускают через освещенную зону (от 0,03 до нескольких мм ) и с помощью фотоумножителя регистрируют световые импульсы, рассеянные отдельными частицами под углами до 90°. Эти импульсы преобразуются в импульсы напряжения, которые посредством электронной схемы сортируются по
амплитудам на несколько диапазонов в соответствии с размерами частиц. Благодаря такой сортировке в приборах с рассеянием под малыми углами (несколько град) снижается влияние различных факторов на показания счетчика, который без специальной калибровки одновременно определяет концентрацию и размеры частиц (в интервале 0,3-20 мкм). Главный недостаток - ограниченный верхний предел так называемой счетной концентрации, который при использовании белого света лампы накаливания
о -э
близок к 10 частиц/м и увеличивается в несколько раз в случае использования лазерного пучка.
Определение дисперсного состава промышленной пыли, особенно при
'У
ее высокой концентрации (несколько десятков мг/м и более), требует отбора пробы из газового потока с последующим суспендированием пыли в жидкой или газовой фазе, для чего используют специальные приборы.Для измерений размеров частиц без нарушения их агрегатного состояния (это важно для пыли конденсационного происхождения) широко применяют ручные приборы - импакторы (рис. 2), в которых сепарацию пыли осуществляют непосредственно в ходе отбора пробы, что позволяет оценивать размеры агрегированных (скоагулированных) частиц.
Рис. 2. Импактор:
1, 5-входной и выходной патрубки; 2 - корпус; 3 - пылевой осадок; 4, 7-10-сопла; 6-фильтр
Пыль, присутствующая в пробе, разделяется на 5-8 фракций при пропускании газа через последовательно установленные сопла постепенно уменьшающегося диаметра. Частицы соответствующего размера осаждаются на плоских подложках, размещенных напротив сопл. Содержание различных фракций находят по привесу подложек за время отбора пробы. Импакторы
ю
—і
є—
—5
позволяют одновременно с дисперсным составом оценивать также концентрацию пыли в газовом потоке.
Для большинства пылемеров характерна погрешность измерений до 20%. Наименьшей погрешностью обладают радиоактивные приборы, а также фотоэлектрические счетчики, наибольшей ручные массовые пылемеры. При условии соответствующей калибровки ряд пылемеров можно применять также для определения концентраций и дисперсного состава туманов.
В настоящее время существует большой ряд приборов, позволяющих измерять как массовую, так и счетную концентрацию пыли в атмосферном воздухе. Но наибольшее распространение получили такие измерители как «Аэрокон», «ДАСТ-1», «ИКП-4», позволяющие производить измерения массовой концентрации пыли, и счетчики аэрозольных частиц «ПК.ГТА», «ПКЗВ», АЗ-5, американские Lighthouse HANDHELD.
Все эти приборы широко используются для экологического мониторинга атмосферы и контроля промышленных выбросов. Но с каждым годом все больше встает угроза возрастания концентраций пыли и смога в черте городских поселений из за огромных скоплений автотранспорта, что негативно отражается на здоровье населения. Наиболее опасна пыль, которая не остается в носоглотке, а попадает в легкие. Это в основном мелкие фракции порядка 0,3-0,6 мкм.
Создаваемая система мониторинга, основанная на использовании разрабатываемых измерителей концентрации пыли, установленных в зонах возможного скопления автотранспорта и адаптированных к агрессивным условиям окружающей среды, позволит своевременно принимать меры по предупреждению и устранению значительных выбросов пыли и образования смога, в частности за счет корректировки движения автомобилей по городу, что в свою очередь облегчает пропускную способность городских улиц.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов / П.А. Коузов. - 2-е изд. - Л., 1974.
2. Клименко А.П. Непрерывный контроль концентрации пыли / А.П. Клименко, В.И. Королев, В.И. Шевцов. - Киев, 1980.
3. Горелик Д.О. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические измерения / Д.О. Горелик, Л.А. Конопелько. - М.: Изд-во стандартов, 1992. - 432 с.
4. Янковский С.С. Средства контроля запыленности газовых потоков в промышленных условиях / С.С. Янковский, Н.Г. Булгакова. - М., 1985.
5. Янковский С.С. Средства измерения массы и дисперсного состава частиц, взвешенных в газовом потоке / С.С. Янковский, Б.С. Сажин. - М., 1990.
© С.В. Хатюшин, 2007
