CC BY
65
УДК 373:355.58+614.8
H.A. Ярушкин, Г.И. Колтышева
АЭРОЗОЛЬНО-ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АММИАКА В ВОЗДУХЕ
Данная статья посвящена конструкции аэрозольно-ионизационного детектора и метода определения концентрации аммиака в воздухе с использованием этого детектора.
Ключевые слова: аэрозоль, ионизация, детектор, аммиак.
N. Jarushkin, G. Koltysheva
AEROSOL IONISATION METHOD OF CALCULATING THE AMMONIA CONCENTRATION IN THE AIR
The article deals with the aerozol-ionisation detector design and the method of calculating the ammonia concentration in the air.
Keywords: aerosol, ionization, detector, ammonia.
Аммиак относится к аварийно химически опасным веществам, обладающим удушающим действием, которое вызывает токсический отёк лёгких, в результате чего на фоне этого воздействия формируется тяжёлое поражение нервной системы [1, 2].
При авариях на химически опасных объектах наблюдается процесс заражения химически опасным веществом окружающей среды, что, как правило, приводит к многократному превышению санитарных норм в населенных пунктах и создает угрозу всему живому.
Примером этого может служить авария, произошедшая 3 мая 2007 года в Москве на Микоя-новском мясоперерабатывающем заводе, где при въезде на территорию завода польский грузовик не вписался в поворот, в результате произошел разрыв трубопровода диаметром 100 мм, находящегося на высоте 4 м. При этом площадь заражения составила 100 м2, 1 человек погиб, 2 госпитализированы [3].
В результате того, что производственная и внешняя воздушные среды связаны между собой через промышленную вентиляцию, загрязнение атмосферы неизбежно сказывается на увеличении содержания вредных веществ в воздухе цехов. По неполным данным, в сильнозагрязнённой производственной среде работает более 5 млн человек [4, 5].
Это приводит к необходимости решения многих практических, экологических и санитарных задач, одной из которых является анализ веществ, загрязняющих воздух. Среди таких веществ наиболее токсичным веществом является аммиак, предельно допустимая концентрация (ПДК) которого в воздухе населённых пунктов составляет: максимальная разовая - 0, 2 мг/м3 , а среднесуточная - 0,04 мг/м3 [6].
Необходимо отметить, что наряду с токсическими свойствами аммиак обладает и взрывоопасными, так как он относится к горючим газам 4 класса опасности (ГОСТ 12.1.005-88). Смесь паров аммиака с воздухом при объёмном их содержании от 15 до 28 % (107 - 200 мг/л) является взрывоопасным. При объёмном содержании аммиака в воздухе свыше 11 % (78,5 мг/л) и наличии открытого пламени начинается его горение [7, 8].
Однако его высокая реакционная способность и универсальность как химического реагента заставляет использовать это весьма опасное химическое соединение в ряде производств, в том числе: в производстве азотной кислоты, нитрата и сульфата аммония, жидких удобрений (аммиакатов), в органическом синтезе, при крашении тканей, при серебрении зеркал и в качестве хладагента в холодильных установках [1].
Очень часто превышение допустимых концентраций происходит неожиданно, в связи с чем остро встает вопрос контролирования концентрации аммиака в воздухе. Исходя из этого, становится очевидной необходимость определения содержания аммиака в воздухе производственных помещений, санитарно-защитной зоны предприятий и за её пределами, особенно при угрозе возникновения чрезвычайных ситуаций. Решение данной проблемы требует разработки чувствительных скоростных аналитических методов для идентификации и определения концентраций микропримесей различных веществ в газовых смесях.
Комплексу этих требований удовлетворяют ионизационные методы газового анализа. В основе этих методов лежат процессы, протекающие в ионизованном газе, которые отличаются высокой чувствительностью к присутствию широкого круга примесей. Разнообразие этих процессов стимулировало развитие различных методов ионизационного газового анализа, одним из которых является аэрозольно-ионизационный метод.
Сущность этого метода состоит в том, что контролируемый компонент газовой смеси избирательно и количественно переводится в аэрозольное состояние, а затем образовавшиеся аэрозольные частицы детектируются в ионизационной камере с радиоактивным источником ионизации [9, 10].
О высокой чувствительности ионизационной камеры к аэрозольным частицам в воздухе было известно давно. Многие авторы использовали чувствительность к аэрозолям для создания пожарных извещателей. В разных странах существуют различные варианты ионизационных пылемеров и дымомеров, причём последние стали важным средством пожарной сигнализации. Чувствительность ионизационной камеры с радиоактивным источником ионизации к аэрозольным частицам, как показали наши эксперименты, превосходит чувствительность к аналогичным весовым количествам газов, не переведённых в аэрозоль, в 103 - 104 раз.
Это связано с тем, что наличие в ионизованной газовой среде твёрдых или жидких аэрозольных частиц диаметром 10-9 - 10-6 м сопровождается интенсивной адсорбцией на этих частицах газовых ионов. Образующиеся при этом тяжёлые ионы имеют большие размеры по сравнению с размерами газовых ионов и, как следствие этого, - малую подвижность. Появление тяжёлых ионов способствует ускорению процессов рекомбинации при тепловом движении ионов и их дрейфе к электродам ионизационной камеры, что приводит к значительному снижению величины ионизационного тока [9, 10].
Всё это послужило толчком к созданию аэрозольно-ионизационных газоанализаторов. Известны аэрозольно-ионизационные приборы типа MSA Billion-Aire, созданные в США. Эти приборы предназначены для контроля различных примесей в воздухе помещений.
В СССР аэрозольно-ионизационный метод анализа микропримесей в газах был разработан профессором Пушкиным И.А. и получил развитие в Опытно-конструкторском бюро автоматики (ОКБА) с целью создания автоматических анализаторов непрерывного действия для анализа воздуха производственных помещений. Разрабатываемые методики образования аэрозолей основаны как на химических реакциях с парами реагентов, так и на пиролитических и каталитических процессах.
В настоящее время для контроля за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны, с целью предотвращения загрязнений окружающей среды, используют аэрозольно-ионизационные газоанализаторы (рис. 1).
Принцип действия данных приборов основан на измерении ионизационного тока, возникающего в процессе ионизации исследуемого газа. Обычно используют ионизацию пламенем и радиоактивным излучением [10].
Специфичность анализа достигается за счёт избирательного перевода определяемого вещества в аэрозольную фазу.
Преимуществом последнего прибора является то, что при определении концентрации диоксида азота примеси аммиака, аминов, органических кислот и других веществ не мешают.
Оба прибора относятся к техническим средствам непрерывного действия и питаются от сети переменного тока, но в отличие от ГА "Гамма-М" ГА "Нитрон" может также работать и от пневмосе-ти. Однако аппаратурное оформление всех перечисленных приборов до настоящего времени имело громоздкие и довольно капризные конструкции [10].
18 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2010'2
Рис. 1. Аэрозольно-ионизационные газоанализаторы
К сожалению, на этом создание аэрозольно-ионизационных газоанализаторов прекратилось. Поэтому представлялось целесообразным исследовать возможность создания малогабаритного аэро-зольно-ионизационного детектора аммиака, пригодного для использования в полевых условиях для экспресс-индикации аммиака и хлористого водорода в атмосфере.
Результатом наших исследований явилось предложение конструкции детектирующего устройства, внешний вид которого показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид детектора: 1 - камера-дозатор реагента; 2 - ионизационная камера; 3 - система газовых каналов
Детектор представляет собой проточную ионизационную камеру с рабочим объёмом 40 см3. Внутреннее строение ионизационной камеры показано на рис. 3. Ионизационная камера снабжена источником ионизации (рис. 3, поз. 1), расположенным на боковой стороне цилиндрического корпуса. Во внутренней полости детектора объёмом 10 см3 располагается собирающий электрод (рис. 3, поз. 2) диаметром 3 мм. Электрод представляет собой отрезок титановой проволоки длиной 50 мм.
В реакционном объёме находится дефлектор (рис. 3, поз. 4). Данное устройство служит для организации аэродинамики камеры и препятствованию осаждения аэрозоля на элементах детектора. Дефлектор изготовлен из тонкостенной титановой трубы диаметром 30 мм. В передней части дефлектора имеется коническое расширение для предотвращения аэрозолеобразования в непосредственной близости от воздуха заборного устройства (ВЗУ).
Рис. 3. Внутреннее строение ионизационной камеры: 1-источник ионизации; 2-собирающий электрод; 3-сопло; 4-дефлектор
ВЗУ имеет несколько деталей:
1. Одна деталь служит для равномерного распределения воздуха. Она представляет собой воронку из титанового сплава с уплотнением из фторопласта.
2. Деталь ВЗУ служит для равномерного распределения потока воздуха по периферии внутренней полости дефлектора. Эта деталь выполнена из титанового сплава в виде диска с отверстиями диаметром 3 мм.
По оси дефлектора на некотором расстоянии от измерительного электрода смонтировано сопло (рис. 3, поз. 3) для поступления паров аэрозолеобразующего реагента в рабочем объёме детектора. Сопло располагалось таким образом, чтобы расстояние между ним и измерительным электродом можно было изменять в пределах от 0,5 до 3 см с помощью резьбы.
Такая конструкция детектора позволяет исследовать оптимальный процесс аэрозолеобразо-вания и избирательную чувствительность при минимуме загрязнений электродов и всего внутреннего объёма камеры осадками. Для исследования метрологических характеристик данного детектора нами планируется создание лабораторной динамической установки.
Литература
1. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров, врачей / Под общей ред. заслуженного деятеля науки профессора Лазарева Н.В. Том 3. М.: Химия. 1977. С. 88-92.
2. Защита населения и территорий в ЧС / Под общей ред. Фалеева М.И. Калуга: ГУП «Облиздат». 2001. - С. 42.
3. www. rianovosty. ru.
4. Парфенов В.И. Глоток чистого воздуха // газета «Правда» от 24 июня 1988 г.
5. Самсонов В.Т., Самсонова Т.А. Контроль загрязнений производства и окружающей воздушной среды предприятий // Материалы семинара: экология и безопасность труда в промышленности. - М., 1991, с. 35 - 43.
6. Владимиров В.А., Исаев В.С. Аварийно химически опасные вещества (АХОВ): Методика прогнозирования и оценка химической опасности. Учебное пособие. - М., 2000.
7. Колтышева Г.И. К вопросу о современном средстве индикации аммиака в России / В сб. материалов НПК научно-педагогического состава «Научная работа Академии: состояние, итоги, перспективы развития». Декабрь 2004 г. - Новогорск: АГЗ МЧС России. - 2005. - С. 71-75.
8. Правила устройства и безопасности эксплуатации аммиачных холодильных установок (приложение 5, 6). - М., 1999.
9. Богород И.И., Бонн А.Я., Дробиз А.М., Пушкин И.А., Ермак М.К. Ионизационные методы контроля воздуха // Журнал всероссийского химического общества им. Д.И.Менделеева, т. XV, № 5, 1970.
10. Колтышева Г.И. Аэрозольно-ионизационный метод газового анализа // «Мир и безопасность». № 3. - 2005. - С. 22 - 23.
