5.3. Дозиметрия

Индивидуальная активная дозиметрия. Наилучшими способом оценки воздействия химических веществ на работающих в условиях производства является измерение концентрации химических веществ в зоне дыхания. Такие измерения возможны при использовании индивидуальных пробоотборников автономного действия. Основными элементами пробоотборников являются микронасос, работающий от батарей аккумуляторов, счетчик объема или скорости пропускаемого воздуха и фильтродержатель (с фильтром) или сорбционные трубки (с сорбентом). Разработаны устройства для отбора из воздуха пыли, радиоактивных частиц, а также паров и газов. Анализ отобранных проб проводят общепринятыми методами. Разработаны пробоотборники, в которых воздух проходит через перемещающуюся индикаторную ленту, интенсивность окраски которой пропорциональна концентрации вещества в анализируемом объеме.

Пассивная дозиметрия. В отличие от активной дозиметрии пассивная дозиметрия основана на принципе свободной диффузии, без принудительного просасывания исследуемого воздуха. Пассивные дозиметры не требуют аспирационных устройств, имеют незначительную массу, экономичны, просты и удобны в работе. Диффузия осуществляется:

1. через стабильный слой воздуха - диффузионные дозиметры,

2. путем проникания через мембрану - проницаемые дозиметры.

Диффузионные дозиметры. В основе работы лежат процессы диффузионного переноса молекул поглощаемого соединения через определенный стабильный слой воздуха. Скорость диффузии (нг/с), определяющая массу вещества, диффундирующего за единицу времени. Описывается следующим уравнением

ω = (D·A)/L·(c₁-c₀) ,

где D - коэффициент диффузии, см² с, А - площадь поперечного сечения пути диффузии, см², L - длина пути диффузии, см, С - концентрация вещества в анализируемом воздухе, нг/см3, с₀ - концентрация вещества у поверхности сорбента, нг/см3. Примем с₀ = 0. После умножения обеих частей уравнения на t, получают уравнение

m = (D·A)/L·c·t.

Выражение DA/L - «эффективная скорость поглощения» в пассивном диаметре. Обозначают К, выражают в см³/с.

m = K·c₁·t ,

следовательно

c₁ = m/(K·t).

Значения А и L зависят от конструкции диффузора.

Коэффициенты диффузии установлены экспериментально и расчетными способами и сведены в таблицы. Зная коэффициент диффузии, концентрацию вещества в анализируемом воздухе вычисляют на основании количества вещества, поглощенного в пассивном дозиметре.

Проницаемые дозиметры

В основу действия проницаемых дозиметров положен процесс проникновения частиц определяемого вещества из исследуемого воздуха через мембрану на поверхность сорбента при наличии градиента концентраций. В отличие от вышеописанного процесса анализируемое вещество диффундирует не в стабильном слое воздуха, а через материал мембраны.

Количественно диффузионное проникание через мембрану (m) можно выразить следующим уравнением

m = P·A(c₁ - c₀)/L ,

где Р - растворимость анализируемого соединения в мембране, А - поверхность мембраны, см², С₁ - концентрация вещества на экспонированной стороне мембраны, нг/см³, С₀ - концентрация вещества со стороны сорбента, нг/см³, L - толщина мембраны, см.

Если сорбент хорошо поглощает вещество, то С₀ = 0.

На практике для расчета концентраций соединений в воздухе применяют уравнение:

c = (m·K)/t,

где m - масса поглощенного соединения, мкг, К - постоянная проникания, см³/мин, t - время экспозиции, мин.

К завистит от материала мембраны и определяемого соединения. К дозиметрам, выпускаемым промышленностью, значения К прилагаются.

Основные элементы дозиметра: сорбент S, диффузатор D и мембрана.

Сорбент - главный элемент любого дозиметра. Твердые сорбенты должны иметь большую удельную поверхность, высокую удерживающую способность (отсутствие десорбции в условиях пониженных концентраций), высокую степень чистоты.

В качестве сорбентов применяют:

• активный уголь - гранулированный, спресованный или в виде ткани,

• силикагель, пропитанный селективными реактивами,

• хроматографические носители,

• жидкие сорбенты - растворы, образующие окрашенные продукты реакции, наносятся на носитель: фильтровальную бумагу, целлюлозные пленки, поливинилхлорид, резину.

Диффузор - ограничивает влияние изменения параметров окружающей среды на стабильность пассивного дозиметра. Простейший диффузор - трубка из стекла или пластмассы, прикрепленная к части, содержащей сорбент. Важнейший параметр диффузора - отношение поверхности А к длине пути диффузии L. Оптимальным считается отношение A/L, при котором количество поглощаемых веществ совпадает с теоретическим рассчитанном на основании уравнения диффузии. Мембрана является барьером, ограничивающим отрицательное влияние изменений параметров воздуха. Должна быть устойчива к действию влаги, химически устойчива, не подвергаться электризации в процессе диффузии, иметь равномерную толщину и пористость. Потери при переносе вещества через мембрану не должны превышать 10 %.

Влияние окружающей среды на адсорбцию веществ в пассивном дозиметре

К факторам, влияющим на работу пассивных дозиметров, относят температуру, давление, влажность, а также концентрацию определяемых веществ.

Температура воздуха может оказывать влияние на коэффициент проницаемости, скорости используемых цветных реакций, а также на сорбционную активность применяемых адсорбентов.

Коэффициент диффузии пропорционален (до 5 ^оС), затем возрастание от 5 до 35 ^оС вызывает соответствующее возрастание D на 16 %.

Влияние изменения Т на коэффициент проницаемости не установлено.

Кинетика некоторых цветных реакций, используемых в пассивных дозиметрах для определения химических соединений, зависит от температуры, поэтому вводят корреляционные температурные коэффициенты.

При отборе проб пассивными дозиметрами адсорбируется значительно меньше веществ, чем при отборе традиционными способами. Повышение температуры не оказывает существенного влияния на сорбционные свойства используемого материала.

Давление. В условиях пониженного давления в высших слоях атмосферы было отмечено слабое поглощение NO₂ пассивными дозиметрами (0,1 - 0,9 кПа), однако в воздухе рабочей зоны такое низкое давления не встречается. Влажность не оказывает влияние на проникание химических соединений через мембрану. Относительная влажность влияет на работу диффузионных дозиметров, не имеющих мембраны. В условиях повышенной влажности происходит боле быстрое насыщение сорбента. Для исключения влияния влаги применяют осушители.

Колебания концентраций. В реальных условиях концентрации химических веществ не постоянны. Мерой приспособлений пассивных дозиметров к перемене концентраций является так называемое «время ответа на изменение концентрации» или время, необходимое для того, чтобы скорость поглощения стала адекватной изменению концентраций в исследуемом воздухе.

В диффузионных дозиметрах мерой этой величины является среднее время пребывания частиц вещества в сфере диффузии.

T = L²/(2D).

Для проницаемых дозиметров расчет этого времени затруднен из-за сложности получения точных значений толщины мембраны и коэффициента диффузии в материале мембраны. Поэтому его устанавливают экспериментально.