2.12. Методы контроля и приборы для измерения концентрации пыле- и газообразных примесей в атмосфере

Интервал возможных концентраций загрязнений может изменяться от10^-8 до 10⁵ мг/м³, а полидисперсные системы характеризуются, как правило, ещё и широким спектром размеров частиц от 10^-2 до 10³ мкм. Это исключает возможность создания универсального метода измерения концентраций атмосферного загрязнения и объясняет дифференцированный подход к способам их измерения.

Независимо от используемого метода анализа контроль концентраций вредных примесей сводится к следующим операциям: отбор проб воздуха, подготовка пробы к анализу, анализ и обработка результатов.

Наиболее ответственным этапом при определении концентрации вредных примесей является представительный отбор проб воздуха, обеспечивающий достоверность результатов. Самым простым и распространенным способом накопления газовой и пылевой пробы является протягивание воздуха воздуходувными устройствами с определенной скоростью, регистрируемой расходомерным устройством, через накопительные элементы, обладающие необходимой поглотительной способностью.

Отбор проб воздуха, содержащего твёрдые и жидкие аэрозоли, проводят либо методом фильтрации, либо при использовании центробежных, инерционных и электростатических сил, либо методом термодиффузии.

Метод фильтрации позволяет выделить частицы размером свыше 0,1 мкм. Этот метод основан на пропускании через фильтр определённого объёма исследуемого воздуха при помощи аспирационного устройства. В качестве фильтрующего материала в отечественных пылемерах применяют аналитические аэрозольные фильтры на базе тканей ФПП-15, ФПМ-15 и др. Выделение взвешенных частиц под действием сил инерции осуществляется в импакторах, что применимо для частиц размером более 0,5 мкм. Метод центробежного осаждения взвешенных частиц пыли осуществляется в циклоне и позволяет выделить крупные частицы размером более 1 мкм. Методы термодиффузии и электростатического осаждения позволяют выделить частицы размером свыше 0,01 мкм.

Отбор проб воздуха при анализе газо- и парообразных примесей осуществляется за счет протягивания воздуха через специальные твердые или жидкие поглотители, в которых газовая примесь конденсируется либо адсорбируется. В последние годы в качестве сорбентов для концентрирования микропримесей используют растворимые неорганические хемосорбенты, пленочные и полимерные сорбенты (полисорбы, порапаки, тенаке и др.), позволяющие улавливать из загрязненного воздуха самые различные химические вещества. Важным достоинством полимерных сорбентов являются их гидрофобность (влага воздуха не концентрируется в ловушке и не мешает анализу) и способность сохранять в течение длительного времени без изменения первоначальный состав пробы.

Для контроля запыленности часто используют гравиметрический (весовой) метод, который заключается в выделении частиц пыли из пылегазового потока и определении их массы. Концентрацию пыли рассчитывают по формуле

c=m/Q,

где m – масса пробы пыли, мг; Q – объемный расход воздуха через пробоотборник, м³/с; - время отбора проб, с.

Основные преимущества этого метода – получение массовой концентрации пыли и отсутствие влияния ее химического и дисперсного состава на результаты измерений. Однако метод отличается большой трудоемкостью и длительностью процесса измерения.

Для измерения концентрации промышленной пыли применяют радиоизотопный и оптический метод.

Контроль концентраций газо- и парообразных примесей атмосферного воздуха производится с помощью газоанализаторов, позволяющих осуществлять мгновенный и непрерывный контроль содержания в нем вредных примесей. Для экспрессного определения токсичных веществ используют универсальные газоанализаторы упрощенного типа (УГ-2, ГХ-2 и др.), основанные на линейно-колористическом методе анализа. При просасывании воздуха через индикаторные трубки, заполненные твердым веществом-поглотителем, происходит изменение окраски индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого вещества, измеряемой по шкале в мг/л. Универсальный газовый анализатор УГ-2, серийно выпускаемый отечественной промышленностью, позволяет определить концентрацию 16 различных газов и паров. Погрешность измерения не превышает 10 % от верхнего предела каждой шкалы.

Выбор метода анализа загрязненного воздуха определяется природой примесей, а также ожидаемой концентрацией и целью анализа.

Для регистрации выбросов промышленных предприятий, а также исследования загрязнений атмосферы применяют лазерные методы, в которых учитывается рассеивание излучения лазера частицами аэрозолей и молекулами газов. Рассеянная энергия попадает на приемную антенну локатора. Регистрируя и расшифровывая следы взаимодействия лазерных импульсов с атмосферными слоями, можно извлечь информацию о давлении, плотности, температуре, концентрации различных газовых составляющих атмосферы и других параметрах.

Создание лазеров большой мощности с узким и стабильным спектром излучения, с полностью автоматизированным циклом работ и передачей результатов в вычислительный центр, совершенствование методов извлечения информации из результатов зондирования позволяют осуществлять оперативный контроль степени загрязнения атмосферы в широких масштабах.