CC BY
8
УДК «14.715-07:62-784.412.2
Б. Ф. Садовский и И. В. Петрянов ПРИМЕНЕНИЕ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ФП В ИМПАКТОРАХ
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л. Я- Карпова, Москва
Для оценки распределения аэрозольных частиц по размерам в диапазоне стоксовского диаметра от 0,5 до 10 мкм и несколько больше применяют инерционные осадители, названные импакторами. С их помощью обычно производят сепарацию частиц на 3—7 фракций по числу каскадов импак-тора. На основании полученных данных строят кривые распределения частиц по размерам. Для оценки количества частиц диаметром 0,5—1 мкм на выходе из импактора устанавливают высокоэффективный фильтр из материала ФП, фильтровального картона или ультратонкого стекловолокна.
Импактор может быть использован не только для определения распределения частиц по размерам, но и для оценки работы газоочистных аппаратов и фильтров, моделей различных участков дыхательных систем и респираторов. Отбирая пробы аэрозолей до и после аппаратов газоочистки, можно судить об эффективности по частицам различного размера. Импактор позволяет устанавливать счетное, весовое и другое распределение частиц по размерам. Наиболее простым и распространенным является весовой метод, так как в промышленной и санитарной газоочистке определяющей является весовая концентрация аэрозолей. Если данные о весовом распределении частиц по размерам построить в вероятностно-логарифмических координатах, то, зная плотность частиц для нормально-логарифмического распределения, легко пересчитать эти данные на счетное распределение или площадь поверхности частиц (В. В. Нейдин и О. Д. Нейков; П. А. Ко-узов).
В случае отбора проб радиоактивных аэрозолей, где определяющей является в основном активная концентрация, импактор позволяет устанавливать распределение активности по размерам частиц. Кроме~того, с помощью соответствующей аппаратуры можно определить наличие а-, (5- и 7-активных аэрозолей, а по энергиям излучения — распределение изотопов по каскадам импактора, т. е. по размерам частиц.
Импакторами определяют распределение частиц по размерам с твердой и жидкой дисперсной фазой и их смесей. Время взятия проб необходимо подбирать так, чтобы количество осадка на каскадах было невелико. Недопустимо также осаждение частиц в пробозаборной трубке, в которой может оседать до половины общего количества аэрозолей. При большом количестве осадка на пластинах импактора наблюдаются значительный сдув осажденных частиц, улавливание их последующими каскадами и осаждение вне подложки при расширении газового потока, обтекающего подложку.
Подложки, на которые отбирают пробы, чаще всего бывают металлические, стеклянные или из плексигласа. Все они могут в 1000 раз и более превышать вес осадка, поэтому точность в весовом распределении частиц по размерам невелика. Для увеличения точности при взвешивании может быть использован ряд приемов. Наиболее простой и доступной является установка на жесткую подложку пленки или тонкой фольги, на которую производится осаждение частиц, но адгезия осажденных частиц к таким подложкам незначительна. Для уменьшения сдува частиц с подложки предложен ряд липких смесей, которыми покрывают подложки перед отбором на них частиц (А. А. Русанов и соавт.). Попытка уменьшить унос частиц установкой на краях жесткой подложки бортиков оказалась малоэффективной. Описана конструкция импактора, в котором подложки были в виде чашек, наполненных стекловолокном, с отсосом некоторого объема газа через эти слои волокна (А. А. Русанов и С. С. Янковский). Конструкция импактора сложна и недостаточно надежна, так как увеличить вес осадка
и адгезию частиц за счет проникновения их в глубь волокнистой насадки практически не удается. При отборе жидких частиц часть осажденной жидкости может отсасываться вместе с газом.
Для повышения точности определения веса отдельных фракций, уменьшения сдуваемости частиц с подложек и удобства в работе мы предложили использовать в качестве подложки при осаждении аэрозольных частиц фильтрующие материалы ФП (фильтры Петрянова), обладающие рядом преимуществ по сравнению с другими волокнистыми подложками. Диск или полоску из материала ФП помещают на жесткую металлическую или стеклянную подложку и устанавливают в импактор. Может быть использована также лента из материала ФП в конструкциях с лентопротяжным механизмом. Такая мягкая подложка весит 20—50 мг в зависимости от марки материала ФП. Это обеспечивает достаточно высокую точность при привесах в несколько миллиграммов.
Материалы ФП гидрофобны, имеют стабильный вес и малую толщину. Для подложки могут быть использованы в принципе любые из них, но удобнее пользоваться неворсистыми материалами, с гладкой поверхностью, типа ЛФС и НЭЛ (ТУ-95-47-71) и материалами, изготовленными без подложки (ТУ-6-16-1342-69). Так, материал НЭЛ-3 обладает весом 1,5 мг/см2, ЛФС-2 в верхнем лобовом слое состоит из волокон диаметром 0,3—0,5 мкм, что особенно важно для получения осадка на фильтре в случае последующей его а-радиографии. После отбора и взвешивания пробы подложка может быть просветлена, отчего она становится прозрачной. Это позволяет определять с помощью оптического микроскопа счетное распределение частиц по фракциям, получать сведения о форме и характере аэрозольных частиц. Метод просветления особенно удобен при калибровке импактора на частицах пыли неизвестной плотности. Просветление осуществляется путем нанесения 1—2 капель смеси 94 % ксилола и 6 % трикрезилфосфата или дибутил-фосфата, обработкой в парах дихлорэтана или ацетона, либо обработкой другим составом материала ФП (И. И. Басманов и В. А. Поплавская).
Для увеличения адгезии частиц к подложке материал ФП может быть подвергнут предварительной обработке туманом жидкости с очень малой упругостью пара. Для этого через образец ФП просасывают в течение нескольких секунд туман масла, серной кислоты, 75 % водный раствор глицерина или другого вещества, либо материал ФП опрыскивают тонкодисперсным туманом. Вес материала при этом изменяется мало, но образовавшаяся на лобовом слое фильтрующих волокон жидкая пленка толщиной в десятые и сотые доли микрона увеличивает площадь контакта частиц с волокном и значительно повышает силы адгезии. На материал ФП может быть нанесен и липкий состав.
При отборе проб аэрозольных частиц с жидкой дисперсной фазой (например, водных растворов солей, кислот и т. п.) желательно использовать гидрофильные материалы или специально гидрофилизированные. Осажденная жидкость впитывается порами и хорошо удерживается капиллярными силами в материале ФП. Для уменьшения потерь (при взвешивании материала ФП) жидкости, которая будет смачивать жесткую подложку, переходя с материала ФП, можно использовать в качестве мягкой подложки пакет из 2 или более материалов. В таком пакете верхний слой, на который осаждаются жидкие аэрозольные частицы, впитывает жидкость, а второй, нижний, слой из материала ФПП или пленки полиэтилена или терилена несмачи-вающийся. Могут быть композиции и других пористых материалов или пленок в зависимости от физико-химических свойств дисперсной фазы, дисперсионной среды и концентрации аэрозоля. Так, можно осаждать бактериальные аэрозоли на увлажненные фильтры ФП с последующим выращиванием колоний на питательных средах. Основные требования к материалам — малый вес, высокая пористость и малый диаметр пор. Малый вес подложки увеличивает точность весового распределения. Высокая пористость материала, которая для ФП составляет 95—98 %, позволяет удерживать значитель-
ное количество жидкости в порах. Например, емкость материала для серной кислоты, его впитываемость, составляет 4000—5000 % первоначального веса. Малый диаметр и большое число пор помогают удерживать жидкость в материале за счет капиллярных сил.
Особенно удобно применение подложек из ФП для анализа радиоактивных аэрозолей, коптильного дыма, используемого в пищевой промышленности (Е. А. Хван и соавт.), туманов кислот и т. д.
Для решения ряда задач необходимо знать распределение по размерам высокодисперсных аэрозолей, присутствующих в воздухе производственных помещений или в атмосфере наряду с крупными частицами. Импактор, снабженный фильтром, дает суммарный вес или количество таких частиц. С помощью материалов ФП можно установить распределение частиц несколькими способами. Для полного улавливания частиц размером меньше 1 мк обычно в импакторе после последней ступени устанавливают материал ФП. Скорость фильтрации подбирают таким образом, чтобы она не превышала 10—15 см/сек. В этом случае желательно использование материала ФП, содержащего предельно тонкие волокна размером меньше 1 мк, например ЛФС (И. В. Петрянов и соавт., 1968). При скорости 1—5 см/сек может быть применен материал ФП любой марки, но чем тоньше диаметр волокон, тем эффективность фильтра выше. Чтобы установить распределение по размерам твердых высокодисперсных частиц, фильтр разделяют на элементарные слои с помощью коллодиевой пленки с определением размеров после фотографирования препаратов в электронном микроскопе. При этом применяют материалы ФП, волокна которых не скреплены друг с другом (И. В. Петрянов и соавт., 1969).
Более простой, но менее точный метод оценки распределения высокодисперсных частиц по размерам заключается в использовании пакета из материалов ФП на выходе из импактора (например, 3—4 слоя ФПП-70-0,3, а затем ФПП-3 или ЛФС) с последующим анализом этих фильтров. Скорость фильтрации должна быть 1,5—2 м/сек, когда улавливание аэрозолей происходит в основном за счет инерционного эффекта. Метод проверен на радиоактивных аэрозолях в лаборатории и полевых условиях (Б. И. Огородников и соавт.).
Если обеспечить различную скорость фильтрации на последовательно установленных слоях ФП (изменяя сечение фильтров), то можно получить преимущественное осаждение частиц определенного размера на каждом слое (И. В. Петрянов и соавт., 1968). Такой пакет фильтров, разделенных между собой шайбами с различными проходными сечениями, может быть установлен за импактором. Анализ фильтров методом радиографии и спектрометрии, химическим путем или с помощью электронного микроскопа позволяет установить распределение по размерам высокодисперсных аэрозолей.
ЛИТЕРАТУРА. Басманов П. И., Поплавская В. А. Аналитические аэрозольные фильтраты. М., 1968, с. 15. — К о у з о в П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л., 1971, с. 45. — НейдинВ. В., НейковО. Д. Современные методы исследования рудничной пыли и эЭДжктивности противопылевой вентиляции. М., 1967, с. 36. — Р у с а н о в А. А. У р б а х И. И., АнастасиадиА. П. В кн.: Очистка дымовых газов в промышленной энергетике. М., 1969, с. 427. —Русанов А. А., Янковский С. С. Им-пакторы для определения дисперсности промышленных пылей. М., 1970.—Петрянов И. В., К о з л о в В. И., Б а с м а н о в П. И. и др. Волокнистые фильтрующие материалы ФП. М., 1968. —Огородников Б. И., С и т а л о Е. А., С к и т о -в и ч В. И. и др. Труды ИЭМ, 1972, в. 25, с. 76.
Поступила 12/VI 1972 г.
