Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды. Монография
.pdf
Мобильный (от лат. mobilis – подвижный, способный к быстрому
передвижению, действию) – применительно, например, к измерительной аппаратуре означает возможность ее использования в интересах оперативного контроля загрязнений. Например, переносной
прибор-анализатор для определения уровня радиоактивного или
ртутного загрязнения территорий, передвижная лаборатория кон-
троля атмосферных загрязнений и т.п. Следовательно, мобильные
средства обеспечивают получение оперативной экологической информации в режиме реального времени, непосредственно на месте
(объекте) контроля.
Достаточно часто для характеристики переносных приборов используют также термин «портативный» (от фр. portatif, от лат. porto –
ношу) – небольшой по размерам, удобный для ношения при себе какой-либо предмет, легко передвигаемый с одного места на другое.
Термин «экспрессный» (от лат. expressus – усиленный, чаще всего
в смысле быстрый, ускоренный) характеризует метод измерения и
его технические (информационно-аналитические) возможности – бы-
стродействие, динамический диапазон измерений, точность и др.
Автоматический анализатор – это измерительный прибор, в котором весь цикл измерений осуществляется без участия оператора, в
то время как в автоматизированном анализаторе лишь одна либо
несколько операций процесса измерений проводится в автоматическом режиме.
Основными функциональными узлами любого анализатора являются
чувствительные элементы (датчики или сенсоры) и вторичный прибор.
Чувствительный элемент, который в настоящее время все чаще называют сенсором или сенсорным устройством, предназначен для непосредственного восприятия измеряемого параметра и преобразования его в
величину, удобную для использования в режиме реального времени или
для дальнейшей передачи по каналам информационной цепи анализа и
обработки экспериментальных данных. С помощью вторичного (измерительного) прибора осуществляется регистрация показаний анализатора. Измерительный прибор может быть связан с системой сигнализации
или автоматического управления и регулирования.
Входная величина – это физико-химический параметр, функционально связанный с концентрацией определяемого компонента, воспринимаемый и преобразуемый чувствительным элементом, а вы-
ходная величина – сигнал, который регистрируется в результате проведения процесса измерений.
141
В практике экологических исследований объектом контроля чаще
всего является атмосферный воздух, промышленные выбросы, воздушная среда помещений. Для этих целей используются различные
типы газоанализаторов и измерителей концентрации пыли (аэрозолей).
Газоанализатор – прибор для определения состава и количественного содержания примесей в воздухе (газовой смеси) в режиме
периодического или непрерывного контроля. В зависимости от типа
сенсора газоанализаторы подразделяются на электрохимические, оптические, термомагнитные, полупроводниковые и др. Кроме того, в
зависимости от характера решаемых задач и условий эксплуатации
эти приборы могут быть стационарными и переносными.
Наряду с приборами, рассчитанными на определение одного компонента, широкое распространение получили многофункциональные
газоанализаторы, предназначенные для одновременного определения
большой группы газообразных загрязнений. Эти приборы в случае их
использования для контроля воздуха рабочей зоны на промышленны
х
предприятиях, как правило, снабжаются системами световой и звуковой сигнализации, которые «срабатывают» при превышении установленных значений ПДК или взрывоопасных концентраций.
Стационарная станция (пункт) наблюдения является основным
элементом наземной сети системы мониторинга загрязнения атмосферного воздуха. На городских территориях они устанавливаются
в районах жилой застройки, вблизи санитарных защитных зон предприятий, оживленных автомагистралей. Станция обеспечивает автоматическое измерение концентрации загрязняющих веществ и метеорологических параметров, уровня радиационного фона, а также
позволяет в предусмотренных для этого случаях производить отбор
проб для определения специфических загрязняющих веществ (ПАУ,
тяжелые металлы и др.).
Стационарные приборы для контроля газообразных загрязнений,
пыли (летучей золы, сажевого аэрозоля) и некоторых других веществ
в выбросах промышленных предприятий устанавливаются непосредственно на источниках эмиссии – дымовых (выбросных) трубах,
причем результаты измерений в оперативном режиме поступают в
информационно-аналитический центр обработки и анализа данных.
Передвижная экологическая лаборатория – это мобильный измерительный комплекс, установленный на какой-либо передвигающейся платформе (автомобиле, судне, железнодорожной платформе, летательном аппарате), позволяющий получать информацию о состоя-
142
нии и динамике природных процессов и явлений, в том числе об
уровнях загрязнения в режиме реального времени по данным прямых
измерений тех или иных параметров и характеристик.
Что же касается терминологии, используемой в методах и системах дистанционного зондирования, то она весьма специфична и разнообразна и создается впечатление, что она постоянно корректируется, обновляется и еще окончательно не систематизирована.
Дистанционное зондирование (ДЗ) – это «… наблюдение и измерение энергетических и поляризационных характеристик собственного и отраженного излучения элементов суши, океана и атмосферы
Земли в различных диапазонах электромагнитных волн, способст-
вующее описанию местонахождения, характера и временной изменчивости естественных природных параметров и явлений, природных
ресурсов Земли, окружающей среды, а также антропогенных объектов и образований».
Кроме того, в системах ДЗ под датчиком (сенсором) принято по-
нимать любой прибор, чувствительный к уровням или изменениям
физических величин (таких, как интенсивность света или температура) и преобразующий эти явления в форму, пригодную для ввода в
систему сбора информации. Активная система датчиков (такая, как
радиолокатор) излучает энергию, необходимую для регистрации этих
явлений; пассивная система датчиков (многоспектральный сканер,
аэрофотокамера) зависит от уже существующих источников энергии,
например, от Солнца.
4.2. Портативные приборы и мобильные
комплексы
Как уже отмечалось, портативные приборы и мобильные средства
контроля позволяют получать оперативную информацию о содержании загрязняющих веществ в объектах окружающей среды в режиме
реального времени. К группе таких приборов относятся различные
типы анализаторов для контроля газообразных и аэрозольных загрязнений атмосферы (включая и воздушную среду внутри помещений), а также выбросов промышленных предприятий, автотранспорта, объектов энергетики и др. С их помощью можно определять кислород, метан, диоксид углерода, неорганические газовые примеси
(СО, SO
вый аэрозоль). К этой же группе принадлежат анализаторы паров
, NO, NOх), озон, взвешенные вещества (летучая зола, саже-
2
143
ртути, рН-метры, дозиметры радиационного контроля, приборы кон-
6
.1
.
273 /273 / ,
m
C
m
C
g
t
g
p
троля метеорологических параметров, приборы-анализаторы ХПК
(химическое потребление кислорода), БПК (биологическое потреб-
ление кислорода) и др. Подобными приборами-анализаторами комплектуются также стационарные посты наземной сети контроля,
а также мобильные экологические лаборатории. Для контроля качества жилых и рабочих (офисных) помещений в большинстве своем
также используются переносные средства измерений.
Далее обратим внимание на единицы измерения и переводные коэффициенты для объемных и массовых содержаний газообразных
загрязнений в атмосферном воздухе и промышленных выбросах.
Для количественной характеристики атмосферных загрязнений и
газообразных выбросов используют объемные и массовые концентрации вредных веществ [5–7]. Объемные концентрации представляют собой отношение объема, занимаемого данным газообразным
веществом, к объему всей газовой пробы. Они измеряются в % объемн. или ppm. Единица измерения 1 ppm (part per million) представляет собой одну миллионную часть объема:
1ppm 10 10 % объемн
−−
== =
433
см м
(4.1)
Важным преимуществом измерения содержания газовых компонентов в объемных концентрациях является то, что они не зависят от
давления и температуры среды. Массовые концентрации характеризуют количество (массу) данного вещества в одном кубическом метре продуктов сгорания. С их помощью оценивается содержание в
продуктах сгорания как твердых, так и газообразных компонентов.
Массовые концентрации измеряются в г/м
3
или мг/м3.
В отличие от объемной, массовая концентрация зависит от давления и температуры среды, поэтому ее приводят в пересчете на нормальные условия (0 °С, 760 мм рт. ст.), для чего используется следующее выражение [7]:
где
э
путем при температуре
144
Ctpp=+
()
э 0
mg g
(4.2)
– массовая концентрация, полученная экспериментальным
и давлении
газовой пробы.
Связь между объемными V(ppm) и массовыми m(г/м3) концен-
,
m
C
i
k
0
10 / 273/ 273 /
kMV tpp
i
M
i
M
V
i
M
V
g
t
g
p
i
k
i
M
i
M
V
i
k
3
1,34 10
3
2, 05 10
трациями устанавливается следующим соотношением:
– коэффициент пересчета, равный
где
3
где
– молярная масса i-го вещества, г;
−
=⋅+
iiM gg
i
(4.3)
kC=
iV
,
()
– молярный объем i-го вещества, л (в качестве первого при-
ближения за
может быть принят объем идеального газа,
равный 22,41 л);
– температура;
– давление газовой пробы на входе в газоанализатор, которое
приравнивается к фактическому атмосферному давлению.
Значения коэффициента пересчета
оксидов азота приведены в
табл. 4.1.
Таблица 4.1
Значения коэффициента пересчета для оксидов азота при нормальных
условиях
Коэффициент
Вещество
NO 30,0061 22,39
NO2 46,0055 22,442
Молярная масса
Молярный объем
пересчета
⋅
⋅
−
−
(4.4)
Для корректного сопоставления опытных и расчетных данных полученные массовые или объемные концентрации пересчитываются
на стандартные условия, в качестве которых приняты следующие:
α = 1,4 для сухих дымовых газов при нормальных условиях (0 °С и
760 мм рт. ст.).
Далее остановимся на контрольно-измерительных приборах и
оборудовании, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями.
145
Одной из первых на отечественном рынке приборов и оборудования для исследования загрязнений объектов окружающей среды появилась компания НПО «Эко-интех» [8]. Являясь официальным дилером многих зарубежных фирм, эта компания предлагает различные
газоанализаторы, пробоотборники, приборы для контроля массовой и
счетной концентрации аэрозольных частиц, средства измерения метеорологических параметров, уровня шума, радиации и др. Помимо
поставок контрольно-измерительного оборудования специалисты
НПО «Эко-интех» осуществляют поверку и текущий ремонт большинства приборов и средств измерений.
Вот некоторые из портативных приборов, выпускаемых компанией НПО «Эко-интех».
Портативные автоматические газоанализаторы для рабочей и жилой зоны серии Элан предназначены для измерения концентрации
газообразных загрязнений – CO, NO, NO
объемной доли О
. Благодаря более высокой чувствительности, мо-
2
дели серии Элан-СО-50, Элан-NО и Элан-NО
, SO2, H2S, Cl2, NH3, а также
2
могут быть использо-
2
ваны для контроля содержания монооксида углерода и оксидов азота
в атмосферном воздухе.
Приборы серии ПУ-2Э, ПУ-4Э – 2- и 4-канальные переносные
устройства для отбора проб газообразных веществ и аэрозолей, широко используются в системах контроля воздуха рабочей зоны и атмосферного воздуха, а также и в случае исследования промышленных выбросов.
Измеритель концентрации аэрозольных частиц Аэрокон обеспечивает определение суммарной массовой концентрации пыли (аэрозолей) природного и техногенного происхождения. Прибор может
быть использован для исследования частиц в атмосферном воздухе и
в воздушной среде жилых и рабочих помещений. Счетчик частиц
АЗ-10 предназначен для контроля качества воздушной среды технологических помещений высокой чистоты, путем измерения числа
частиц (размером 0,3…5,0 мкм).
Компания освоила также выпуск портативных приборов и измерительных средств для определения параметров и характеристик физических факторов воздействия. Например, прибор Октава-110А –
прецизионный переносной шумомер, обеспечивающий измерение
параметров звука, воздействующего на человека в условиях производства, на транспорте, в жилых и общественных помещениях. Кроме того, этот прибор может быть использован для измерения шумо-
146
вых характеристик различных машин и механизмов, звукоизоляции
помещений и т.п.
Известны также и ряд других отечественных и зарубежных компаний и фирм, предлагающих многочисленные приборы для определения загрязнений атмосферного воздуха, природных и сточных вод,
контроля промышленных выбросов, стационарные и мобильные
средства и системы контроля [9–12].
Из числа зарубежных производителей выделим фирму Environnement S.A. (Франция), официальный дистрибьютором которой является
компания InterAnalyt. Environnement S.A. – мировой лидер в производстве оборудования для систем мониторинга объектов окружающей
среды [9]. Эта компания предлагает широкий спектр приборов, позволяющих решать практически любые задачи по контролю атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны, промышленных выбросов, природных и сточных вод. В частности, посты контроля, оснащенные
приборами Environnement S.A., установлены в более чем 50 страна
х
мира. На базе нескольких тысяч таких постов (стационарных и мобильных) реализована, в частности, Европейская сеть мониторинга
окружающей среды. В России успешно эксплуатируются 15 стационарных постов этой фирмы в интересах мониторинга атмосферного
воздуха и промышленных выбросов. Производство Environnement S.A.
соответствует стандарту ISO 9001, а ее технологическое оборудование
сертифицировано в США (ЕРА), Франции (LCSQA), Германии (UBA,
TUV), Англии (АЕА), России (Госстандарт).
Нельзя не отметить и такую фирму, как PPM Systems Oy (Финляндия) [10], которая (через ООО «ППМ Синтрол») на российском рынке
представляет оборудование и приборы ведущих европейских производителей автоматизированных систем мониторинга атмосферного воздуха. В состав этих систем мониторинга входят следующие анализаторы загрязняющих веществ в воздушной среде городов:
– газоанализатор озона с диапазоном измерений: 0 –
0.1/0.2/0.5/1/2/5/10 ppm (предел обнаружения – 0,4 ppb);
– газоанализатор общего содержания углеводородов, метана,
включающий конверторную печь, каталитический конвертор нулевого воздуха, воздушный компрессор; используется метод газовой
хроматографии, диапазон измерений: 0 – 10/50/100/1000 ppm;
– анализатор органических соединений – газовый хроматограф с
фотоионизационным детектором; диапазон измерений: 0…100,
0…200, 0…1000 мкг/м
3
(предел обнаружения – 0,5 мкг/м3);
147
– автоматический анализатор пыли (слабоактивный источник угле-
род-14), диапазон измерений: 100/200/500/1000/2000/5000/10000 мкг/м
(предел обнаружения – 0,5 мкг/м3 в сутки); пробоотборник пыли для
сбора частиц размером PM
10
и PM
(соответствует Европейскому
2,5
стандарту 12341 и стандарту США (US.EPA).
Одними из лучших приборов для контроля промышленных выбросов являются газоанализаторы фирмы Testo (Германия) [8]. Так, в
частности, прибор Testo 335 – переносной, весьма удобный в эксплуатации газоанализатор нового поколения, который был специально разработан с учетом требований по проведению экологических
измерений на промышленных предприятиях и объектах энергетики с
целью контроля выбросов теплотехнических и энергетических установок при сжигании различных видов топлива.
Технические характеристики газоанализатора Testo 335
Температура дымовых газов.. –40 ... +1200 °C;
.............................................0...21 объемн. %;
O
2
CO............................................ 0...8000 ppm;
NO ...........................................0...3000 ppm;
..........................................0...500 ppm;
NO
2
...........................................0...5000 ppm;
SO
2
Питание................................... Аккумулятор: 3,7 В/2,2 А·ч, Блок питания: 6 В/1,2 A;
Ресурс...................................... 6 ч;
Вес ........................................... 0,6 кг (без аккумулятора).
Следует отметить, что большинство природоохранных и санитарно-гигиенических организаций (служб) РФ используют приборы отечественного производства. Это относится, прежде всего, к средствам
отбора проб, приборам контроля метеорологических параметров,
различным расходомерам, аспираторам и другим контрольноизмерительным приборам, которые в большинстве своем являются
приборами вспомогательными, дополняющими основные химикоаналитические средства анализа. Что же касается приборов и систем
контроля загрязнений (анализаторов, хроматографов, спектрометров
и др.), то для этих целей потребители чаще всего приобретают оборудование зарубежных фирм, поскольку они, как правило, надежны
и обладают лучшими эксплуатационно-техническими и аналитическими характеристиками.
Более подробная информация о приборах отечественного и зарубежного производства содержится в монографии «Внелабораторный
химический анализ» под ред. акад. Ю.А. Золотова, где представлены
химические дозиметры, газовые сенсоры, химические и биохимиче-
3
148
ские тест-системы, а также портативные аналитические приборы,
которые, вероятно, могут быть использованы для контроля объектов
природной среды в полевых условиях.
Мобильные экологические лаборатории зарубежных производителей комплектуются вышеуказанными анализаторами и также успешно справляются с проблемами контроля загрязнений окружающей среды.
Мобильные лаборатории фирмы PPM Systems (Финляндия), разработанные для мониторинга атмосферы городов, сельской местности, промышленных зон монтируются на базе легковых и грузовых
автомобилей, прицепов [10]. Внутри салона автомобиля устанавливается система пробоотбора, стойка с газоанализаторами и компьютеризированной системой сбора и обработки информации, размещается автономная системы энергопитания оборудования. На крыш
е
автомобиля устанавливается телескопическая мачта, система прокачки и осушки воздуха. На телескопическую башню крепятся метеорологические датчики: скорости и направления ветра, температуры,
влажности, давления, радиации, количества осадков. Лаборатория
может быть укомплектована радиостанцией, спутниковой связью и
системой передачи данных в центр обработки и анализа информации
системы мониторинга территориального (локального) уровня.
В табл. 4.2 приведены основные характеристики приборов, которыми комплектуются мобильные лаборатории фирмы и стационарные посты контроля.
Рассмотрим несколько подробнее технические характеристики передвижной лаборатории контроля промышленных выбросов Kema
(Нидерланды), которая входит в состав системы мониторинга атмосферных загрязнений г. Москвы и эксплуатируется уже более 15 лет
[13]. Она была получена в 1993 г. по линии гуманитарной и технической помощи Евросоюза России. Автор книги был руководителем лаборатории, будучи начальником отдела Аналитической инспекции
Москомприроды. Лаборатория была аккредитована Госстандартом
России и допущена к эксплуатации на территории нашей страны.
Лаборатория Kema, смонтированная в специальном кузове на базе
грузового автомобиля марки DAF-45 (см. рис. 2.4), включает следующие приборы и оборудование для отбора проб и анализа загрязняющих веществ в выбросах стационарных источников:
– газоанализаторы оксидов углерода (CO, CO
(NO, NO
) и кислорода (O2);
2
) , серы (SO2) и азота
2
149
Таблица 4.2
Перечень приборов фирмы PPM Systems и их аналитические характеристики
Анализа-
торы
АF22М
Н
2
S
Определяемый
параметр
Диоксид серы
SO
Сероводород
H
TRS Общая сера
АС32М
Оксиды азота
NO
Диапазон
Принцип действия
измерения,
ppm
2
S
2
x
Флуоресценция 0…10 0,5
Каталитическое
окисление в SO2
Каталитическое
окисление в SO
Хемилюминесцен-
ция
2
0….1 1
0…10 0,5
0…10 0,35
Предел
обнаружения,
ppb
NH3 Аммиак NH3 Конвертация в NO 0….1 2
СО12М
О
42М Озон О3
3
НС51М
Монооксид
углерода СО
Углеводороды
суммарные
Ароматические
VOC71M
FID
углеводороды,
летучие орга-
нические со-
единения
VOC71M
PID
Бензол, толуол,
этилбензол,
ксилолы
MP101M Пыль
MIR
9000CO2
Диоксид угле-
рода СО2
Инфракрасная
спектроскопия
Ультрафиолетовый
анализатор
Пламенно-
ионизационное
детектирование
Хроматография
с пламенно-
ионизационным
детектором
Хроматография с
фотоионизационным
детектором
Абсорбция β-
излучения низкой
энергии
Инфракрасная
спектроскопия
0…200 0,05 ppm
0…10 0,4
0…1000 0,05 ppm
0…1000
мкг/м3
0…1000
мкг/м3
0…10000
мкг/м
3
0,25 мкг/м
0,25 мкг/м
0,5 мкг/м3
0…1000 0,5
3
3
– систему отбора проб пыли на фильтры;
– набор оборудования для отбора проб твердых фторидов и хло-
ридов, паров ртути, летучих органических соединений;
– систему контроля температуры, давления и скорости потока
дымовых газов;
– систему отбора проб диоксинов и фуранов;
– набор калибровочных газов (в баллонах).
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]