Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды. Монография
.pdf
Хроническое облучение действует слабее на живой организм, по
сравнению с однократным облучением в той же дозе, что связано с
постоянно идущими процессами восстановления радиационных повреждений. Как показывают многочисленные исследования, примерно 90 % радиационных повреждений в подавляющем большинстве
случаев восстанавливаются.
Существует достаточно большое количество приборов для регистрации радиации – дозиметры, которые подразделяются на бытовые
и промышленные (профессиональные). Прибор для контроля радиоактивности ИРД-02 предназначен для измерения мощности дозы радиоактивного излучения и по своим характеристикам обеспечивает
контроль жилых и промышленных зон. (Методы и приборы контроля
радиоактивного излучения, а также и многое другое изучается в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ».)
Прибор СРП-68-01 – сцинтилляционный радиометр поисковый,
предназначен для косвенных измерений радиоактивности материальных ресурсов (металл, пластмасса, резина, дерево, строительные
материалы, различные отходы и др.) по фотонному излучению. Прибор может быть также использован для контроля продуктов сельского хозяйства и различных химикатов, поиска радиоактивных руд,
радиометрической съемки местности.
Контрольно-измерительные приборы серии СРП-68-01 имеют следующие основные технические характеристики:
–
диапазон измерения потока фотонного излучения – 0…3000 мкР/ч;
–
начальный энергетический порог регистрации – 20 кэВ;
–
пределы допускаемой основной погрешности – ±10 %;
–
пределы допускаемой дополнительной погрешности при изме-
рении температуры на 10 °С – ±1 %;
–
питание батарейное;
–
ресурс работы – 100 ч;
рабочая температура – от –20 до +50 °С;
–
–
масса, не более 3,6 кг (без укладочного кейса).
Что касается систем радиационного мониторинга, то обратим
внимание на следующее. Организация и аппаратурно-методическое
обеспечение такой системы определяется характером решаемой задачи, объектами (территориями), подлежащими постоянному наблюдению (контролю) и целым рядом других особенностей.
191
В заключение рассмотрим систему радиационного мониторинга
г. Москвы, осуществляемую МосНПО «Радон».
ГУП МосНПО «Радон» входит в структуру Правительства Москвы и представляет собой многофункциональный научнопроизводственный комплекс, который обеспечивает инженернотехническое и научное решение вопросов эколого-радиационной
безопасности населения Москвы, Подмосковья и Центрального региона РФ – это десять соседствующих с Московской областей: Брянская, Владимирская, Калужская, Ивановская, Костромская, Рязанская, Смоленская, Тверская, Тульская, Ярославская. ГУП МосНПО
Радон проводит радиационный мониторинг и дезактивацию загрязненных территорий промышленных объектов, а также выполняет
весь спектр работ по обращению с радиоактивными отходами низкой
и средней активности (сбор, транспортирование, переработка, безопасное хранение, радиационный контроль хранилищ и санитарнозащитной зоны). Главная задача предприятия – обеспечение радиационной безопасности столицы, которой уделяется самое пристальное внимание. Система радиоэкологического мониторинга, созданная на «Радоне» позволяет контролировать ситуацию в целом по
г. Москве и в отдельных округах, лесопарковых зонах и местах отдыха. В Москве размещено около 100 пунктов регулярного наблюдения (для отбора проб воды, снега, почвы, листвы, травы и т.п.),
а также 52 стационарных измерителя радиационного фона. Работники предприятия постоянно ведут автомобильную и пешеходную
гамма-спектрометрическую съемку территории города, в том числе
контроль водных артерий столицы. Данные мониторинга обобщаются в радиационно-гигиеническом паспорте столицы. Специалисты
предприятия занимаются не только охраной, но и восстановлением
окружающей среды, ведут радиационно-аварийные работы, реабилитируют радиационно-загрязненные территории. Организован систематический контроль детских дошкольных и школьных учреждений, а
также при необходимости жилых и общественных зданий г. Москвы.
Научно-производственное объединение имеет высокую репутацию на
мировом рынке обращения с РАО. Сотрудников предприятия активно
привлекают в качестве экспертов МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) для решения различных технических проблем
и экспертиз международных проектов. В ГУП МосНПО «Радон» вне-
192
дрена и функционирует система менеджмента качества, соответствующая требованиям международных стандартов. Разработана и выполняется Программа обеспечения качества при обращении с радиоактивными отходами. Метрологические службы предприятия и лаборатории, выполняющие радиационный и аналитический контроль, аккредитованы в системе Ростехрегулирования. МосНПО «Радон» вручены Международные сертификаты качества в области управления
качеством при обращении с радиоактивными отходами, мониторинга
окружающей среды, дезактивации территорий, подтверждающие соответствие деятельности предприятия требованиям международных
стандартов ISO 9001: 2000 и ISO 14001: 2005.
5.4. Методы и средства контроля аэрозольных
загрязнений
Катастрофические по масштабам лесные пожары 2010 г. в центре
Европейской территории России и мощное извержение вулкана
Эйяфьятлайокудль в Исландии являются ярким проявлением «характера» аэрозолей – частиц, взвешенных в атмосферном воздухе.
Удушливый смог негативно повлиял на здоровье людей, а взметнувшийся в стратосферу пепел вулкана в значительной степени повлиял
на международные авиаперевозки. На снимках, полученных с помощью авиакосмических средств, выбросы аэрозольных частиц (пепла,
золы) четко зафиксированы, и прекрасно отслеживается так называемый «спутный след» – куда затем это все движется.
Эти частицы, содержащие различные органические и неорганические примеси, губительно сказываются на здоровье человека, растительности, животных. Кроме того, атмосферный аэрозоль играет исключительно важную роль в процессах формирования климата планеты, активно взаимодействуя с солнечным излучением и способствуя образованию облаков.
Согласно общепринятому определению под аэрозолями понимают
пыль, дым и туман, т.е. аэродисперсные системы, в которых дисперсионной средой является газ (воздух), а дисперсной (дискретной)
средой – твердые или жидкие частицы.
Диапазон размеров аэрозольных частиц охватывает весьма широкую область – примерно от 10
могут существовать лишь в случае их непрерывного образования,
–3
до 100 мкм. Очень мелкие частицы
193
поскольку, являясь электрически заряженными и обладая большой
подвижностью, они быстро коагулируют. Аэрозольные частицы
больших размеров пребывают во взвешенном состоянии (особенно в
неподвижной среде) в течение сравнительно короткого времени, т.к.
оседают под действием сил тяжести. Эти частицы можно обнаружить
лишь вблизи источника их эмиссии.
Аэрозоли естественного и техногенного происхождения образуются в результате процессов конденсации и диспергирования (распыления, дробления). В зависимости от размера частиц аэрозоли
подразделяются на три основные группы:
–
высокодисперсные (частицы размером < 0,1 мкм);
–
грубодисперсные (частицы размером > 1 мкм);
–
средней дисперсности (частицы размером от 0,1 до 1 мкм).
Для высокодисперсных аэрозолей в воздухе при нормальных условиях число Кнудсена, т.е. отношение средней длины свободного
пробега молекул к радиусу частицы больше единицы. В связи с этим
закономерности поведения этих частиц базируются на кинетической
теории газов, где они рассматриваются как большие молекулы. Высокодисперсные аэрозоли характеризуются тем, что сопротивление
среды движению этих частиц, скорость испарения и некоторые другие параметры и характеристики пропорциональны квадрату их радиуса; заряд частиц не превышает одного элементарного заряда; броуновское движение преобладает над седиментацией и инерцией, поэтому осаждение их происходит исключительно за счет диффузии.
Законы движения грубодисперсных аэрозолей выводятся из уравнений гидроаэродинамики, причем сопротивление среды и скорость
испарения пропорциональны радиусу частиц, а процессы осаждения
и коагуляции не зависят от броуновского движения и определяются
инерцией частиц и действием на них внешних сил.
Физические и физико-химические свойства промежуточной группы аэрозолей, попадающих в переходную область между высокодисперсными и грубодисперсными аэрозолями, описываются путем последовательных приближений, введением соответствующих поправочных коэффициентов.
В табл. 5.6 приведены численные значения некоторых величин,
характеризующих движение частиц аэрозолей различных размеров,
а табл. 5.7 – масса и поверхность частиц.
194
Таблица 5.6
Значения величин, характеризующих движение аэрозольных частиц
Радиус
частицы, мкм
Коэффициент
диффузии, см
2
/с
Среднее
смещение, см
Скорость
седиментации, см/с
1·10–3 1,28·10–2 1,28·10–1 1·31·10–6
5·10–3 5,24· 10–4 2,58·10–2 6,63·10–6
1·10–2 1,35·10–4 1,31·10–2 1,37·10–5
5·10–2 6,82·10–6 2,95·10–3 8,64·10–5
0,1 2,21·10–6 1,68·10–3 2,24·10–4
0,5 2,74·10–7 5,90·10–4 3,47·10–3
1 1,27·10–7 4,02·10–4 1,28·10–2
5 2,38·10–8 1,74·10–4 3,02·10–1
10 1,38·10–8 1,23·10–4 1,21
Таблица 5.7
Масса и поверхность частиц
Радиус, мкм Масса, г Поверхность, см2
0,001 4,19·10
0,002 3,35·10
0,005 5,23·10
0,01 4,19·10
0,02 3,35·10
0,05 5,23·10
0,1 4,19·10
–21
1,26·10
–20
5,02·10
–19
3,14·10
–18
1,26·10
–17
5,02·10
–16
3,14·10
–15
1,26·10–9
–13
–13
–12
–11
–11
–10
В реальных условиях в атмосфере содержатся частицы микронного и субмикронного диапазона, которые имеют различные функции
распределения по размерам. В результате многочисленных экспериментальных исследований по измерению размеров частиц аэрозолей
в приземном слое атмосферы, промышленно-урбанизированных территорий и сельской местности было установлено, что распределение
частиц по размерам всегда многомодальны. Одна мода приходится
на размер более 2 мкм, другая – на область между 0,1 и 1 мкм и третья – на интервал от 0,01 до 0,1 мкм.
Из кривых распределения естественных аэрозолей, полученных
экспериментально с использованием различных методов известно,
что максимум распределения числа частиц в зависимости от логарифма радиуса лежит в интервале 0,01–0,1 мкм и приходится на радиус 0,03. Кроме того, для частиц радиусом более 0,1 мкм функция
распределения может быть выражена следующей формулой:
195
k
NR N R CR
d/d /2,30,
MR CR
ρ
d/dlg
==
() ( )
−
, (5.1)
где N – число частиц с радиусом, равным или меньшим R;
некоторая постоянная;
C –
k = 3.
Распределение числа частиц по радиусам в этом случае будет
иметь вид
NRCR
()
=
()
(5.2)
1
k
−+
а соответствующее распределение массы частиц, которое является
практически постоянным, имеет вид
=
()
4/3
где ρ – плотность частиц (для большинства аэрозолей естественного про-
исхождения плотность частиц колеблется в пределах от 1 до 2 г/см
, (5.3)
3 ).
Отсюда следует вывод: масса больших и сверхбольших частиц естественных аэрозолей составляет основную долю атмосферных аэрозолей. Масса частиц меньшего размера, хотя по количеству их больше, составляет приблизительно 10…20 % от общей массы частиц.
Суммарная массовая концентрация аэрозолей в атмосфере на высотах 85…90 км составляет 10
в воздухе крупных городов и индустриальных центров – от 0,1 до 2 мг/м
–6
…10–7, в нижней тропосфере – 10–3…10–4,
3
Аэрозольные загрязнения атмосферы содержат различные микроэлементы естественного и техногенного происхождения. В табл. 5.8 приведены обобщенные данные о концентрации микроэлементов в атмосфере
различных регионов планеты. Данные свидетельствуют об устойчивой
тенденции глобального роста загрязнений тяжелыми металлами.
Аэрозоли тонкодисперсной фракции зависят от локальных антропогенных источников, причем взаимодействие с газами и парами,
поступающими в атмосферу, определяет время жизни этих частиц.
Аэрозоли тонкодисперсной фракции могут существовать в атмосфере довольно долго, переноситься ветром вместе с воздушными массами на большие расстояния (до 1000 км и более).
В наибольшем количестве твердые частицы содержатся в самых
нижних слоях атмосферы (в нижней тропосфере в слое до 500 м от
поверхности Земли). Здесь количество частиц изменяется от десятков
и даже сотен тысяч на каждый см
3
воздуха в промышленно-урбани-
.
196
зированных районах и до сотен тысяч над океаном. С высотой число
взвешенных в воздухе твердых частиц быстро убывает и на высотах
5…10
частиц на см3 воздуха. В нижних слоях тропосферы содержится в
среднем 1·10
км их абсолютное количество составляет всего лишь десятки
4
частиц в 1 см3, а на высоте 4…5 км – лишь 250 частиц.
При прочих равных условиях приземные слои атмосферы промышленных районов и больших городов отличаются максимальным
содержанием пыли в атмосфере (см. табл. 5.8). В 1985–1988 гг. средняя концентрация пыли в атмосферном воздухе многих городов находилась в пределах 50…900 мкг/м
ния 100…300 мкг/м
3
(при ПДК 150 мкг/м3). В крупных промышлен-
ных городах максимальные концентрации пыли в воздухе могут значительно превышать уровни в 200…600 мкг/м
составляют 10…40 мкг/м
3
. В отходящих газах промышленных пред-
приятий массовая концентрация твердых частиц, как правило, намного
больше и может значительно превышать 1000 мг/м
3
. Наиболее типичными были значе-
3
; минимальные обычно
3
.
В городских агломерациях количество выпадающей из атмосферы
пыли составляет в среднем 200…500 кг/км в сутки, достигая в отдельных районах больше 5…6 тыс. кг/км
урбанизированных зон, суточное осаждение пыли обычно не превышает 10 кг/км
2
. По данным Министерства технологии Великобрита-
нии в 1966 г. в промышленных районах страны на 1 км
2
; в районах, удаленных от
2
далось 380 т твердых частиц.
Удаленные от промышленных источников территории отличаются
намного меньшей запыленностью атмосферного воздуха. Например,
содержание пыли в воздухе в районе Земли Нова Бэй (Антарктика)
находилось в пределах 0,06…0,9 мкг/м, из которых нерастворимая
фракция составляла 5…43 %. Большая часть акватории Индийского
океана характеризуется содержанием пыли в атмосфере, обычно не
превышающим 0,1 мкг/м
3
, редко достигая 0,1…0,5 мкг/м3. В океани-
ческих районах с интенсивным выносом материала из пустынных
Таблица 5.8
Концентрация частиц пыли в воздушной среде размером более 0,5 мкм
Территория Число частиц/м3
Промышленные районы 3,0·107…6,0·107
Большие города 1,5·107…5,0·107
Чистые комнаты с турбулентным воздухообменом 2·106…5·106
Чистые комнаты с избыточным потоком воздуха 4,0…1·103
197
и полупустынных областей уровни ее содержания пыли могут увеличиваться в 8–15 раз. В гранулометрическом спектре преобладают
частицы менее 10 мкм, до 50 % составляют частицы меньше 1 мкм,
а основная доля материала приходится на фракцию 0,5…1 мкм. Как
правило, частицы крупнее 5 мкм составляют не более 5 % общего
содержания твердых веществ.
Наиболее важными характеристиками аэрозолей являются счетная и массовая концентрация частиц. В настоящее время для их определения привлекаются многочисленные методы и специализированные приборы, включая автоматические детекторы частиц и системы дистанционного зондирования.
Традиционными методами определения массовой концентрации
аэрозольных частиц в воздухе являются гравиметрические методы,
основанные на измерении массы частиц, осажденных на фильтры.
Использование для этих целей фильтрующих материалов из различных полимерных и стеклянных волокон обеспечивает высокую эффективность отбора аэрозолей в широком диапазоне размеров частиц. Вместе с тем эти методы имеют ряд ограничений. Они могут
быть успешно применены при определении загрязнений воздуха с
достаточно высокой концентрацией частиц. Однако в тех случаях,
когда концентрация частиц мала, указанные методы становятся трудоемкими, поскольку для получения представительной навески проб
необходима аспирация значительных объемов воздуха. Другим затруднением при использовании фильтров является необходимость
тщательного контроля окружающей температуры и влажности. Поэтому для получения надежных результатов перед каждым определением привеса фильтра его необходимо выдерживать до и после
отбора пробы в среде с заданной температурой и влажностью для
стабилизации условий измерения. Кроме того, указанные методы
трудно поддаются автоматизации.
Оптические методы определения массы взвешенных в воздухе
частиц основаны на измерении величины поглощения или отражения
света осадком частиц на фильтрах при просасывании через них известного объема воздуха. На этом принципе построены и автоматические приборы-анализаторы, в которых отбор проб частиц производится на ленточный пробоотборник, обеспечивающий со строго
заданным временным интервалом перемещение определенной части
фильтра для улавливания исследуемых частиц аэрозоля. Однако в
приборах этого типа ослабление интенсивности пучка света при про-
198
хождении его через слой осажденных частиц зависит не только от их
массы, но и является сложной функцией размера, формы и химического состава аэрозоля. Кроме того, пропорциональность между величиной поглощения (отражения) света и массой осадка частиц соблюдается при небольшой массе осажденных аэрозолей, когда частицы не перекрывают друг друга. Материал фильтра также влияет на
результаты анализа. Не лишены указанных недостатков и приборы
автоматического непрерывного определения концентрации (по массе) аэрозолей, основанные на измерении рассеяния света частицами.
Показания измерительного прибора пропорциональны логарифму
концентрации частиц при условии постоянства физико-химических
характеристик аэрозоля.
Известны также автоматические детекторы для определения
массовой концентрации аэрозолей, основанные на поглощении осад-
ком частиц α- и β-излучений. Основными функциональными узлами
этих приборов являются: источник радиоактивного излучения, приемно-регистрирующая система, малогабаритный насос и устройство
для перемещения аэрозольного фильтра. В этих приборах в отличие
от анализаторов, работающих в оптическом диапазоне, коэффициент
поглощения практически не зависит от химического состава и дисперсности аэрозолей. Дальнейшее совершенствование методов данной группы в плане увеличения чувствительности и точности измерений может быть достигнуто повышением активности излучателя, а
также выбором соответствующего материала фильтра с низким коэффициентом собственного поглощения.
Значительными преимуществами высокочувствительного определения массовой концентрации аэрозолей обладает метод, основанный на использовании пьезоэлектрического эффекта – зависимости
собственной частоты колебаний пластины пьезоэлектрика от массы вещества, локализованного на его поверхности. Предел детектирования достигает величины n·10
–11
г. Метод отличается простотой
аппаратуры и возможностью создания малогабаритных приборованализаторов экспресс-контроля аэрозольных загрязнений атмосферы.
Остановимся подробнее на возможностях этого метода. Известно,
что некоторые естественные кристаллы (кварц, турмалин и др.) при
помещении их в электрическое поле испытывают механическую деформацию. Если к пластине, вырезанной из пьезоэлектрического
кристалла, приложить переменное электрическое напряжение, то
пластина начинает колебаться с некоторой частотой. В том случае,
199
когда частота переменного электрического поля близка к частоте
m
/
A
ρ
собственных механических колебаний пластины, то она, будучи
включенной в цепь положительной обратной связи генератора, вынуждает генератор генерировать с частотой, равной этой резонансной частоте. Собственная частота колебаний кристаллической пластины зависит от угла среза кристалла, ее толщины и плотности, а,
следовательно, и массы. Увеличение массы пластины вызывает
уменьшение собственной частоты колебаний.
Предложенный в конце 50-х годов прошлого столетия метод высокочувствительного взвешивания с использованием пьезоэлектрического эффекта базируется на зависимости собственной частоты
колебаний пластины пьезоэлектрика от массы вещества, наносимого
на её поверхность. Массовую концентрацию частиц определяют по
следующему соотношению:
где f
и f2 – частоты колебаний резонатора до и после осаждения
1
2
fN=
0
S –
Δm –
Δ= − =− Δ
12
частиц на поверхность пластины соответственно;
–
массовая чувствительность резонатора (здесь ρ –
плотность материала пьезопластины; N – частотный
коэффициент пластины резонатор);
площадь колеблющейся части пластины;
разность масс частиц до и после осаждения.
/fff AS
,
Поскольку величины A, N и S постоянны для данной пластины, то
зависимость
fFmΔ= Δ
оказывается линейной.
()
В настоящее время этот метод широко используется для нахождения толщины пленок (вплоть до нескольких десятков нанометров),
для определения ничтожно малых количеств вещества, а также для
изучения различных физико-химических явлений, связанных с изменением массы исследуемых веществ. Метод пьезокварцевого микровзвешивания для определения массы частиц аэрозоля впервые применен для определения микрометеоритов.
В зависимости от способа осаждения частиц на поверхность пьезокварцевой пластины выполненные экспериментальные работы
можно разделить на две группы. Первую составляют методы, в которых исследуемые частицы осаждаются за счет инерционной импакции. В работах, относящихся ко второй группе, использовано элек-
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]