5.3. Отбор проб воздуха
Отбор проб воздуха из окружающей среды является наиболее важным и трудным этапом при наблюдении за состоянием загрязнения воздушного бассейна.
Специальные методики отбора проб воздуха включают:
- фильтрование;
- электростатическое осаждение;
- термическое осаждение;
- гравитационную седиментацию;
- центрифугирование;
- поглощение с использованием ловушек.
Выбор метода отбора проб определяется целями экологических исследований и изучаемыми загрязняющими веществами.
Наиболее распространенным методом отбора проб воздуха является фильтрование. Пробы отбираются отборниками большого объема (снабженными стеклянным или полистирольным фильтрами), отборниками небольшого объема (снабженными мембраной) или воздухоотборниками других видов.
Воздухоотборник большого объема состоит из устройства, всасывающего воздух, держателя фильтра, расходомера и корпуса. Мелкие частицы вещества отбирают обычно при отсосе воздуха с расходом 1,2-1,7 м3/мин.
Для всасывания воздуха необходимы устройства, создающие пониженное давление: роторный вакуумный, поршневой воздушный, диафрагменный насосы, всасывающий вентилятор. Широко применяются роторный вакуумный насос и вентилятор.
Электростатическое осаждение используют при выделении аэрозолей из больших объемов газа или воздуха; при этом достигается высокая эффективность для частиц небольшого размера (рис. 15). Создание высокой разности потенциалов между двумя электродами приводит к образованию интенсивного электрического поля. Отборник состоит из корпуса, измерителя потока, отсасывающего насоса, источника высоковольтного напряжения. Частицы пыли, собранные на электроде-коллекторе, отбирают для анализа с помощью щетки, кисти или путем смыва.
Рис. 15. Пылеосадительные камеры:
а – полая; б - с горизонтальными полками; в, г - с вертикальными перегородками;
/ - запыленный газ; // - очищенный газ; /// - пыль;
1 - корпус; 2 - бункер; 3 - штуцер для удаления; 4 - полки; 5 - перегородки
Термическое осаждение основано на непосредственном воздействии тепла на частицы, взвешенные в газе, не находящемся в тепловом равновесии. Таким образом, взвешенные в газе частицы мигрируют из высокотемпературной зоны в низкотемпературную, благодаря явлению «текучести» частиц в потоке. Эта сила, как правило, незначительна.
Медленно всасываемый воздух в пробоотборнике попадает в узкую камеру, поперек которой натянута нагреваемая проволока, после чего частицы оседают на поверхности пристроенного сборника. Для частиц размером 0,01-10 мкм сбор достигает почти 100 %. Эта методика может быть использована при исследовании размера частиц воздушной пыли, так как не происходит дробления частиц.
Гравитационную седиментацию применяют только для сбора крупных частиц (20-50 мкм), выпадающих из атмосферы под действием сил гравитации.
Для этого метода не требуются насосы и измерительные системы расхода воздуха, поскольку пыль сама собирается на стеклянных полосках, пластинах, шариках, латках или чашах.
Этот метод не позволяет получить данные об объемной концентрации; его эффективность зависит от ряда дополнительных факторов, определяемых скоростью направления ветра, турбулентным перемешиванием и осадками. Поэтому данные ненадежны, непредсказуемы и невоспроизводимы.
Центрифужное разделение осуществляют с помощью циклонов. Циклон, используемый в качестве коллектора, представляет собой устройство, не имеющее движущихся частей, в которых поток входящего газа (воздуха) проходит по внутренней стенке по спиральной траектории и выходит через выпускную трубу (рис. 16). Центробежные силы направляют взвешенные частицы к стене циклона.
Эффективность разделения зависит от типа применяемого циклона и может достигать 95-99 % для частиц размером 15-50 мкм.
Рис. 16. Схема циклонов конструкции НИИОГАЗа:
а - цилиндрический; б - конический
Улавливание с помощью ловушек заключается в сборе частиц вещества после удара направленного потока о поверхность сборника. В сухих ловушках частицы задерживаются на поверхности. Иногда на поверхность ловушки наносят пленку адгезивного материала.
При мокром способе улавливания частицы собираются в жидкости, которой наполнена ловушка (рис. 17).
Методы сбора газообразных загрязняющих веществ, для которых используются приемы «мокрой» химии, разделяют на группы:
1) воздух проходит через раствор, который реагирует газообразным загрязняющим веществом;
2) воздух проходит через соответствующий поглотитель, например активированный уголь, из которого затем выделяют загрязняющие вещества;
3) воздух заполняет инертный контейнер, вытесняя при этом жидкость или воздух;
4) воздух закачивается для хранения в пластмассовый мешок (отбор путем захвата);
5) воздух проходит через ряд коллекторов, охлаждаемых при заданных температурах, причем загрязняющие вещества конденсируются в жидком или твердом виде.
Рис. 17. Схемы основных способов мокрого пылеулавливания:
а - в объеме жидкости; б - пленками жидкости; в - распыленной жидкостью;
1 - пузырьки газа; 2 - капли жидкости; 3 - твердые частицы