Методы контроля и приборы для измерения концентрации примесей в атмосфере и в промышленных выбросах.

Контроль концентрации примесей сводится к отбору пробы воздуха или дымового газа, подготовке и проведению анализов отобранных проб, обработке и обобщению результатов анализов.

Используются следующие режимы отбора проб:

разовый, продолжительностью 20 — 30 минут;
дискретный, при котором в один поглотительный прибор или фильтр через равные промежутки времени в течение суток отбирают несколько разовых проб;
суточный, при котором в один поглотительный прибор или фильтр производится отбор проб в течение суток непрерывно.

Отбор проб осуществляется путем аспирации определенного объема воздуха через поглотительный прибор, заполненный жидким или твердым сорбентом для улавливания газообразного вещества, или аэрозольный фильтр, задерживающий твердые частицы. Тип поглотительного прибора, расход воздуха и продолжительность его аспирации устанавливаются в зависимости от контролируемого вещества.

При определении приземной концентрации примеси в атмосфере отбор проб проводится на высоте 1,5 — 2 м от поверхности земли. Для отбора проб используются электроаспираторы (рисунок 4.17), снабженные автономным источником питания.

Рисунок. 4.17. Принципиальная схема электроаспиратора:

1 — ротационный насос; 2 - ротаметры; 3 - регулирующие вентили; 4 - реле времени

Для контроля содержания твердых частиц и аэрозолей используются гравиметрический (весовой) и оптический методы анализов.

Гравиметрический (весовой) метод.

Заключается в выделении частиц пыли из пылегазового потока путем прокачивания его через фильтр. Масса пыли находящаяся в исследуемом потоке газа, определяется как разница веса фильтра до и после анализа.

Концентрация пыли определяется по формуле: С = m/Qx, мг/м³, где т — масса пробы пыли, мг; Q — расход воздуха, пропущенного через пробоотборное устройство, м3/с; т — время отбора пробы, с.

Весовой метод позволяет получить концентрацию пыли без учета ее химического и дисперсного состава.

Оптический метод.

Оптический метод основан на определении непрозрачности (дымности) воздуха или дымовых газов. Метод основан на просвечивании газов с последующим преобразованием оптического сигнала в электрический, проведении коррекции показателя по заданному алгоритму ослабления светового луча и преобразования его в показатель непрозрачности (рисунок 4.18).

Рисунок. 4.18. Принципиальная схема измерителя непрозрачности:

1 — источник света; 2 — электрическая лампочка; 3 — объектив; 4 — защитное стекло; 5 — светоприемник; 6 — фотодиод; 7 — линза; 8 — блок преобразования информации; 9 — цифровой вольтметр; 10 — блок питания

Непрерывный контроль содержания вредных примесей в воздухе производится с помощью газоанализаторов типа УГ-2, ГХ-2 и др., принцип работы которых основан на линейноколористическом методе анализа.

При просасывании воздуха через индикаторные трубки газоанализатора, заполненные твердым веществом поглотителем, происходит изменение окраски индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого вещества. Газовый анализатор УГ-2 позволяет определять концентрацию 16 различных газов и паров с погрешностью, не превышающей ± 10% от верхнего предела каждой шкалы.

В термокондуктометрическом газоанализаторе используют отличие теплопроводности анализируемого компонента от теплопроводности других компонентов. При наличии в дымовых газах примесей, близких по теплопроводности к определяемой, их удаляют из анализируемой пробы путем поглощения или сжигания.

Термохимические газоанализаторы применяются для анализа горючих компонентов газовой смеси. С их помощью определяют более 100 наименований горючих газов, паров и их смесей.

Работа термомагнитных газоанализаторов основана на движении в неоднородном магнитном поле при наличии температурного градиента парамагнитных частиц — молекул кислорода и оксидов азота. Это явление называется термомагнитной конвекцией. Изменения температуры, давления и расхода анализируемой газовой смеси могут оказывать влияние на результаты измерения.

Принцип действия оптических газоанализаторов основан на особенностях поглощения — излучения отдельных компонентов газовой смеси. К ним относятся газоанализаторы оптико-акустические, фотоколометрические, хемилюминесцентные и лазерные.

В оптико-акустических газоанализаторах, предназначенных для анализа многоатомных газов, используются свойства газов поглощать лучистую энергию при определенных длинах волн, соответствующих их полосам спектра поглощения. Амплитуда колебаний зависит от концентрации анализируемого компонента в измерительной камере.

В хемилюминесцентных газоанализаторах используется зависимость интенсивности люминесцентного излучения, возникающего в результате химической реакции анализируемого компонента с реагентом, от концентрации этого компонента. Применяются для измерения очень малых концентраций О₃, NO_x и других веществ.

Лазерный газоанализатор использует особенности поглощения метаном излучения при длине волны, совпадающей с одной из длин волн спектра излучения метана.

В электрохимических газоанализаторах выходной сигнал зависит от электрохимических явлений, протекающих в электродных системах при наличии анализируемого компонента. Из электрохимических наибольшее распространение получили вольтамперометрические и кулонометрические газоанализаторы.

В вольтамперометрических газоанализаторах значение тока в электродной цепи зависит от содержания деполяризующего компонента, например, кислорода, в щелочном гальваническом элементе.

В кулонометрических газоанализаторах содержание анализируемого компонента определяется по количеству электричества, израсходованного при электролизе вещества, вступающего в реакцию с анализируемым. Значение тока, при котором обеспечивается нейтрализация раствора с анализируемым компонентом, и служит величиной концентрации этого компонента.

К электрохимическим может быть отнесен и плазменно-ионизационный газоанализатор, в котором концентрация анализируемого комплекса определяется по ионизационному току, образующемуся в водородном пламени вследствие ионизации молекул органических соединений.

Хроматографы относятся к анализаторам, которые могут проводить одновременно качественный и количественный анализ газообразных и жидких сред. Принцип действия основан на разделении газовых смесей на отдельные компоненты при движении вдоль поверхности сорбента, последующей идентификации компонентов и определения их содержания в смеси. Этот метод может быть использован для определения содержания любых газов с концентрацией до 10'⁵ — 10^'6 %. Хроматографы — приборы периодического действия с временем анализа 10 — 20 минут.

Качественный и количественный анализ может одновременно проводиться на масс-спектрометрах с разделением ионов по времени пролета. Эти более сложные, чем хроматографы, приборы обеспечивают непрерывное измерение состава газовоздушной смеси.