8.2. Характеристика пристроїв для відбору проб газуватих речовин
Переважно відбір повітря та газів проводять аспіраційним способом, пропускаючи повітря через рідке середовище, твердий сорбент, фільтр. Недостатній об’єм проби призводить до неможливості виконати аналіз, а зайвий – до невиправданих затрат робочого часу.
Основними вузлами пристрою для забору проб повітря є: пристрій для засмоктуваня (аспіратор), який дозволяє з відомою швидкістю відібрати певний об’єм проби повітря та пропустити його через накопичуючий елемент та реєструючий пристрій, яким заміряють кількість повітря, що пройшло під час забору проби.
У промислових умовах використовують аспіратори, які включають як аспіратор, так і пристрій для реєстрації кількості проби. Тобто, аспіратори об’єднані разом з газоаналізатором. Коли з аналізатора виходить повітря, то виникає розрідження і в нього засмоктується порція газу.
Найпростішим є водяний аспіратор – дві сполучені гнучкою трубкою посудини (рис.8.2), одна з яких заповнена рідиною (водою). Заповнену посудину поміщають вище, відкривають кран (затискач) на трубці, тоді вода з неї перетікає у нижню пусту ємність. За цих умов у верхній ємності створюється розрідження, тому через верхню відвідну трубку засмоктується повітря. Об’єм повітря рівний об’єму води у нижній посудині. Швидкість відбору проби газу таким аспіратором невелика, 1,5-2 л/хв. Аспіратор може бути обладнаний засмоктуючим вентилятором. Такі аспіратори застосовують для забору проб повітря у вибухонебезпечних приміщеннях.
|
Рис.8.2. Скляні аспіратори різних конструкцій |
Аспіраційні пристрої є різних типів і мають різні характеристики:
високорозхідні та малорозхідні – залежно від витрати повітря, яке відбирають;
для відбору газів або аерозолів;
одноканальні та багатоканальні, якими можна відібрати одночасно декілька проб газуватої речовини;
стаціонарні, переносні, індивідуальні;
з різними джерелами живлення – механічні, від електромережі, від акумулятора;
ручного управління, напівавтоматичні, автоматичні.
Пристрої для засмоктування проби газу є складовою частиною аспіраторів і за механізмом дії є різного типу насосами.
Ротаційний насос містять у корпусі ротор з лопастями, які при швидкому обертанні створюють у ньому розрідження, внаслідок чого газ ззовні засмоктується. Ротаційні насоси переважно невеликого розміру, однак у них складно регулювати параметри забору проби газу, крім того вони надто шумні.
Поршневий насос – це циліндр з поршнем, який містить клапани на вхідному патрубку та затискач. Застосовують такий насос для забору паро-газової суміші, суміші з аерозольними частинками, запиленого повітря. При переміщенні поршня вверх під ним створюється розрідження і в камеру засмоктується повітря, яке проходить через фільтр. При цьому клапан закриває канали в поршні, попереджаючи всмоктування повітря з верхньої частини корпуса. При русі поршня вниз повітря витискається і таким чином циркулює лише в одному напрямку. Поршневий насос може бути ручним, а може мати дистанційне автоматичне керування.
Є пристрій для швидкого забору проби повітря у вигляді алюмінієвого циліндра з пінопластовим поршнем, який під’єднаний до поліетиленових балонів. Пристрій дозволяє відібрати пробу повітря об’ємом 3-5 л і перевести в балон за 1-2 с. Після забору балон закривають, від’єднують від насоса і передають в лабораторію.
Насос з діафрагмою, яка весь час пульсує. Під час пульсації діафрагми в камеру засмоктується повітря. Діафрагму приводять у дію механічним, гідравлічним або пневматичним способом. Насоси з діафрагмою довговічні в експлуатації, не створюють шуму, прості в експлуатації, ними можна регулювати параметри забору проби. Недоліком роботи насоса є пульсація тиску при скороченні діафрагми. Щоб її зменшити, насос обладнують демпферами. Цього типу насоси застосовують найчастіше. Серед часто застосовуваних є одно- та двокамерні насоси, які мають різну продуктивність. Діафрагмовими насосами можна відбирати проби повітря з різними швидкостями, наприклад 10, 12, 25, 62 л/год, а є й такі, для яких швидкість забору становить 180 і навіть 300 л/год.
Ежекторні аспіратори. Їх принцип дії полягає у тому, що стиснене повітря з балона (рис.8.3), проходячи через систему, створює в ній розрідження, яке сприяє засмоктуванню повітря ззовні.
|
Рис.8.3. Схема ежекторного аспіратора |
У балоні міститься стиснене повітря. Коли його випускають через редуктор в ежектор і коли воно виходить, то в ежекторі виникає розрідження. Це створює умови для засмоктування повітря через регулятор швидкості в ежектор. Регулятор швидкості дозволяє встановити відповідну швидкість аспірації повітря. Трубка, через яку проходить повітря, сполучена з відповідним поглинальним середовищем. Аспіратори засмоктують певний об’єм повітря з відомою швидкістю через поглинальну систему.
До аспіратора можна під’єднати газові бутлі, піпетки, шприци точно відомого об’єму. Схема забору проби газовою піпеткою показана на рис. 8.4.
|
Рис.8.4. Схема відбору проби повітря у газову піпетку. |
У вибухонебезпечних приміщеннях використовують аспіратори з ручним управлінням швидкості забору проби повітря, багатоканальні (чотириканальні), всі вузли якого закриті захисним кожухом.
В аналізаторах для експресного контролю за забрудненням повітря використовують забірний пристрій з сильфоном, показаний на рис. 8.5.
|
Рис. 8.5. Сильфонний пристрій для відбору проби повітря в газоаналізаторі УГ-2 |
Основною складовою пристрою є гумовий сильфон з пружиною, яка його розтягує. Розпірні кільця надають сильфону жорсткість. До вільного кінця гумової трубки під час аналізу під’єднують накопичувальний пристрій. Канавки на штоку служать для затримуванням фіксатором повітря, яке пройшло через камеру. Розрідження виникає при розтягуванні сильфону, при цьому повітря втягується через гумову трубку. На гранях під головкою штока зазначені об’єми повітря, яке відбирають.
Пристрої для реєстрації кількості газової суміші мають завданням точно встановити масу або об’єм газуватої речовини, яка пройшла через перетин каналу за одиницю часу. Пристрої є двох основних груп: змінного перепаду тиску та постійного перепаду тиску.
Розтратомір із звуженням газового потоку дії за принципом змінного перепаду тиску. Звуження потоку газу досягають пропусканням його через сопло або через діафрагму. На звуженні швидкість потоку зростає і виникає перепад тиску. Якщо виміряти тиск газу перед звуженням (Ро) і після звуження (Рзвуж.,), то різниця тисків Р=Ро-Рзвуж залежить від швидкості потоку газу (), отже від його розтрати:
Р = f(газу).
У комплект розтратоміра входить диференційний манометр.
Розтратомір постійного перепаду тиску. Газовий потік проходить через канал, у якому знаходиться поплавок. При переміщенні поплавка між ним і стінкою виникає перепад тиску, причому постійний.
В ротаметрі поплавок переміщується по довгій конічній трубі. При зміні положення поплавка прохідний отвір між ним та стінкою конуса трубки змінюється, і це веде до зміни швидкості газового потоку та до перепаду тиску, який діє на поплавок. Поплавок переміщається до тих пір, поки перепад тиску стане відповідати масі поплавка:
Р = mпоплавка.
Кожне положення поплавка (l) пропорційне до маси повітря, яке пройшло через трубку:
l = f(mповітря)
У поплавковому розтратомірі конічної форми поплавок переміщається всередині отвору.
Газовий лічильник з рідким наповнювачем дозволяє визначити кількість газу, який проходить через нього. Пропускна здатність лічильників є в межах 20 – 600 м3/год з похибкою вимірювання 1%.
Накопичуючий елемент. Залежно від хімічних та фізичних властивостей летких речовин, їхнього агрегатного стану та вимог аналізу застосовують різні накопичуючі елементи для захоплення забруднювачів з повітря чи з суміші газів. Типи накопичувачів та механізми захоплення ними речовин і наступне видалення з них речовин будуть розглянуті у підрозділі, присвяченому способам забору проб повітря (газових сумішей).
Розрахунки концентрацій речовин у повітрі
Тиск газу чи повітря визначають манометрами. У жорстких камерах об’єм повітря відповідає об’єму ємності. Обов’язково вимірюють температуру газу. Об’єм аспірованого повітря при реальних умовах, тобто певній температурі та тиску (Vt), перераховують на нормальні умови (V):
,
де К – коефіцієнт, обчислений для різних температур: від 5С до 40С і для різних тисків: від 730 до 780 mm Hg.
За цим співвідношенням вираховують об’єм аспірованої проби.
Концентрація газу після поглинання рідким розчинником визначається за співвідношеннями:
,
де V – об’єм повітря, перерахований на нормальні умови, м3;
Vрозч. – об’єм розчину або розчинника, який брали для аналізу, мл;
m – маса леткої речовини, мг.
Аналогічно обчислюють вміст інгредієнта, якщо пробу відбирають на твердий сорбент, а потім з нього десорбують у рідке середовище.
Концентрація інгредієнта в аерозолі, відібраному на фільтр, після визначення гравіметричним методом вираховується за формулою:
.
Якщо відома маса аерозолю m, то в повітрі знаходять вміст визначуваного інгредієнта.
У закордонній літературі концентрації шкідливих речовин переважно вказують в одиницях ppm, тобто мільйонних частках, та одиницяї ppb, тобто в мільярдних частках:
,
.
У цих же одиницях градуйована газоаналітична апаратура, яка використовується у США та в деяких європейських країнах. Перерахунок на одиниці ppm здійснюють за співвідношенням (н.у.):
,
де Vm – молярний об’єм за н.у. або 22,4 л/моль; М – молярна маса, г/моль.
Зв’язок між об’ємною часткою інгредієнта в повітрі та одиницями ppm, ppb такий:
1 ppm = 110-4 об.%,
1 ppb=110-7 об.%.
Якщо потрібно перерахувати концентрацію речовини у газовій суміші, виражену одним способом на інший спосіб, то перемножають концентрацію на відповідний коефіцієнт. Коефіцієнти для перерахунку концентрацій газів та парів наведені в табл. 8.1
Таблиця 8.1. Формули для перерахунку концентрацій газів та парів у різних одиницях
вираження концентарції Перший спосіб вира- ження концентрації |
мг/л (г/м3) |
мкг/л |
%(об.) |
ppm (см3/м3) |
ppb (мм3/м3) |
мг/л (г/м3) |
1 |
103 |
|
|
|
мкг/л (мг/м3) |
10-3 |
1 |
|
|
|
%(об.) |
|
|
1 |
104 |
107 |
ppm (см3/м3) |
|
|
10-4 |
1 |
103 |
ppb (мм3/м3) |
|
|
10-7 |
10-3 |
1 |
Другий
спосіб
