Лабораторная работа № 5 измерение счётной концентрации аэрозольных частиц методом оптического светорассеяния
1. Задачи работы
1.1. Знакомство с методом определения счётной концентрации частиц методом оптического светорассеяния.
1.2. Изучение работы и устройства аэрозольного счётчика частиц «ПКЗВ-906».
1.3. Измерения счётной концентрации частиц в воздухе лаборатории.
2. Предварительные сведения
Аэрозольные частицы являются одним из приоритетных загрязнителей атмосферы. В экологии под аэрозолем понимают твердые и жидкие частицы, плавающие в атмосфере и выпадающие на Землю. Аэрозоли попадают в атмосферу от многих источников. По происхождению они подразделяется на аэрозоли естественного и антропогенного происхождения. Источниками естественных аэрозолей являются океаны, космическая пыль, частицы почвы и горных пород, поднимаемых в воздух при ветровой эрозии, органические вещества - пыльца растений, споры, бактерии и др., частицы дыма, возникающие при лесных и торфяных пожарах, продукты вулканических извержений.
Атмосферные аэрозоли над океаном образуются в результате разбрызгивания капель морской воды и их последующего испарения. Капли образуются при сдувании ветром брызг с гребней волн, при выпадении на водную поверхность осадков, в прибойной зоне побережий. Основным компонентом морских аэрозолей является хлорид натрия, однако в них присутствуют карбонаты, сульфаты, калий, магний и кальций, ряд органических соединений. Взвешенные в воздухе солевые частицы в прибрежных районах наносят значительный ущерб сельскохозяйственным культурам и вызывают коррозию материалов. По оценкам выпадение соли на океанических островах и в прибрежных районах континентов варьирует от 3 до 4 т/км2 в год, максимальные значения достигают 470 т/км2 в год.
Значительная часть аэрозолей поступает в атмосферу с поверхности почвы и скальных пород. Известно много районов на Земном шаре, где также постоянно происходит вынос в атмосферу пыли, песка и мелкодисперсных частиц. Частицы биологического происхождения переносятся на большие расстояния. Споры грибов, например, находили над океаном на расстоянии 1000 км, а пыльцу - в 2500 км от возможного ближайшего источника. Морские бактерии обнаружены в пробах воздуха более чем в 100 км от побережья.
Аэрозоли антропогенного происхождения составляют примерно 20% от естественного содержания аэрозолей. Они образуются в основном при сжигании твердого и жидкого топлива. Кроме того, ряд производств, например, цементные заводы, выбрасывают в атмосферу большое количество пыли. Естественно, что пространственное распределение антропогенных аэрозолей неравномерно, и они являются загрязнителями атмосферы, играя пагубную роль как в отношении человека и животных, так и растительных сообществ.
Атмосферный аэрозоль подразделяют также на тропосферный (до высоты приблизительно 10 км) и стратосферный (от 10 км приблизительно до 50 км).
Для изучения распределения аэрозольных частиц в верхних слоях атмосферы наиболее распространенными являются следующие методы: лазерное или лидарное зондирование атмосферы, измерения со спутников земли ослабления солнечной радиации в момент, близкий к уходу спутника в тень Земли; измерения с аэростатов или самолетов, с помощью фотоэлектрических счетчиков на ракетах, самолетах и аэростатах.
Количество аэрозолей в атмосфере огромно, существует их постоянный приток и сток. Более крупные частицы осаждаются сами, более мелкие вымываются дождем или снегом. Продолжительность пребывания аэрозолей в атмосфере определяет их так называемое «время жизни». В тропосфере время жизни аэрозолей составляет от 6 до 40 суток. В стратосфере среднее время жизни аэрозольных частиц увеличивается с высотой, и его оценки дают значения до месяца в слое 10-12 км, 1-2 года на высоте 20 км и от 4 до 20 лет на высоте 50 км.
Проблемы, связанные с аэрозолями многогранны. Аэрозоли могут оказывать влияние на формирование климата как Земли в целом, так и в отдельных её районах. Важнейшая положительная роль аэрозолей является ядрообразование, т.е. свойство конденсировать воду. Однако, они могут изменять отражательную способность планеты Земля и тем самым изменять глобальную температуру.
Одна из причин, по которой загрязненность воздуха вызывает всеобщее беспокойство- это токсичные частицы и пыль, попадающие в организм при вдыхании и способные вызывать различные заболевания. Вирусы и бактерии при попадании в воздух очень быстро осаждаются на аэрозольных частицах и переносятся вместе с ними.
Аэрозоли - дисперсные системы с газообразной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой.
Дисперсность – характеристика аэрозолей, определяемая как распределение аэрозольных частиц по размеру.
По происхождению различают дисперсионные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные, образуются при измельчении (диспергировании) твердых тел (например, шахтная пыль при бурении, отбивании и взрывании руд и угля), при разбрызгивании жидкостей (например, водяные туманы вблизи водопадов и фонтанов, туманы из жидкого топлива, поступающего в топки и двигатели внутреннего сгорания), при взмучивании порошков газовыми потоками (пыль, поднимаемая ветром или возникающая при пересыпании муки или цемента). Конденсационные аэрозоли образуются при объемной конденсации паров: таковы природные (водяные) туманы и облака и аэрозоли, возникающие над сильно нагретыми телами в результате испарения с их поверхности жидкости и последующего охлаждения паров при смешении с воздухом. Сюда же относятся аэрозоли, возникающие при химических реакциях, в частности, при горении (дымы - из сажи, из окислов металлов в металлургических печах). Нередко, например, при взрывах или при сжигании пылевидного топлива образуются смешанные аэрозоли, содержащие частицы как дисперсионного, так и конденсационного происхождения.
Аэрозоли с жидкими частицами называются туманами, дисперсионные и конденсационные аэрозоли с твердыми частицами - соответственно пылями и дымами. Размеры частиц могут варьировать в очень широких пределах от 1 нм до 1 мм. В туманах частицы имеют сферическую форму, сохраняющуюся при коагуляции, так как капельки при этом слипаются. Твердые частицы аэрозоля представляют собой либо кристаллики, либо шарики, образовавшиеся при затвердевании капелек, либо неправильные обломки (в пылях). При коагуляции твердых частиц образуются агрегаты, нередко имеющие форму простых или разветвленных цепочек.
Форма аэрозольных частиц может быть весьма разнообразной – от нитевидных частиц до симметричных кристаллов и двухслойных частиц. Размер частиц аэрозоля является наиболее важной характеристикой Всевозможные частицы аэрозоля можно классифицировать по размерам:
Крупные частицы (грубодисперсные) имеют средний размер 20 мкм, они сосредоточены в нижнем слое тропосферы (ниже 3000 м);
Большие частицы (среднедисперсные) имеют диаметр частиц от 2,5 до 20 мкм;
Микроскопические частицы (тонкодисперсные) имеют диаметр частиц меньше 2,5 мкм. Она встречается во всей атмосфере.
В верхних дыхательных путях задерживаются только частицы пыли размером > 5 мкм, а более мелкие частицы проникают в нижние дыхательные пути и способствуют возникновению различных заболеваний. Тонкодисперсная пыль (размером < 2,5мкм) вызывает, в частности, такие тяжелые заболевания, как пневмокониозы.
Всё большую актуальность в связи с внедрением новых технологий производства, применением большого числа чувствительной контрольной и измерительной аппаратуры приобретает проблема контроля чистоты воздуха в производственных помещениях электронной, фармацевтической и медицинской промышленности.
Помимо проведения экологического мониторинга атмосферного воздуха возросла необходимость проведения контроля воздуха рабочей зоны на производствах. Не менее важной задачей в связи с возникновением профессиональных заболеваний работников являются санитарно-гигиенические измерения на предприятиях, имеющих повышенное содержание пыли в воздухе рабочей зоны. Измерения аэрозолей в промышленных выбросах являются неотъемлемой частью экологического мониторинга. К предприятиям, выбрасывающим в атмосферу частицы пыли, относятся предприятия черной металлургии, теплоэнергетики, химической, нефтеперерабатывающей, керамической, целлюлозно-бумажной промышленности.
Содержание пыли в воздухе можно выразить, как массу пыли, приходящуюся на единицу объёма (мг/м3 - массовая концентрация) или как число пылевых частиц в единице объёма воздуха (N/л - счётная концентрация).
Измерение массовой концентрации пыли проще и доступнее. ГОСТ 12.1.005-38 устанавливает ПДК в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий в мг/м3. Наиболее распространённый метод определения массового содержания пыли в воздухе заключается в том, что некоторый объём воздуха пропускают через специальные аэрозольные фильтры и находят как разницу в весе фильтра до и после запыления. Для отбора проб на фильтры используют специальные насосы - аспираторы. Как правило, аспиратор состоит из воздуходувки, электродвигателя и ротаметра. Ротаметр предназначен для измерения расхода воздуха. Он представляет стеклянную трубку с поплавком. На трубках нанесена шкала в единицах: л/мин.
Измерение счётной концентрации аэрозоля является одним из обязательных контролируемых параметров в современных чистых помещениях. ГОСТ 50766 - 95 «Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации» устанавливает классы чистоты помещений по счетной концентрации аэрозольных частиц с диаметрами от 0,1 до 5 мкм. Контроль чистоты воздуха требуется для таких видов производственной деятельности как микроэлектроника, медицинская, химическая и пищевая промышленности.
В настоящее время существуют различные методы определения счетной концентрации аэрозоля. Приведем краткое описание некоторых методов.
Ситовой анализ - разделение частиц на фракции путём последовательного просеивания навески пыли через лабораторные сита с отверстиями различных размеров.
Микроскопический анализ - рассмотрение пылевых частиц с помощью оптического или электронного микроскопа, определение формы частиц, из размера и количества по фракциям.
Электроиндукционный метод. В основу метода положено определение индуцированного на электроде измерительной камеры заряда, возникающего при движении через камеру аэрозольных частиц. Существенным преимуществом метода является то, что для измерения общего заряда аэрозольные частицы не требуется осаждать её на электроде.
Кондуктометрический метод. Определение числа и размеров частиц в суспензии кондуктометрическим методом основано на изменении электропроводности электролита, в момент прохода частицы через отверстие в стенке двух сосудов, в которых установлены электроды. Этот метод был предложен в 1949 г. Коултером и получил в последние годы широкое распространение в медицине, сельском хозяйстве и различных отраслях промышленности.
Седиментометрический метод - разделение навески пыли на фракции путём её осаждения под действием силы тяжести в жидкой или газообразной среде. При этом предполагается, что в процессе оседания частицы не оказывают друг на друга влияния.
Центробежная сепарация - разделение пыли на фракции с помощью центробежной силы в специальном аппарате.
Оптический метод. В современном приборостроении получили большое распространение. Для измерений используются фотоэлектрические или лазерные счетчики аэрозольных частиц, принцип действия которых заключается в регистрации рассеянного излучения от отдельно пролетающей через измерительный тракт частицы. Помимо счётной концентрации приборы, основанные на оптических методах, позволяют определять распределение частиц по размеру от 0,3 до 100 мкм (дисперсный состав). Счетчики аэрозольных частиц являются сложными и дорогими приборами, регистрирующими уровень микрозагрязнений воздуха.
Градуировка и поверка счетчиков аэрозольных частиц заключается в установлении зависимости амплитуды сигнала на выходе фотоприемника от размера частицы. Эта зависимость на практике устанавливается экспериментально. Очевидно, что для проведения градуировки и поверки необходимы частицы с известным размером, формой, коэффициентом преломления. Получение монодисперсных частиц (полистирольных латексов) является важнейшей задачей градуировки, а от их качества во многом зависят погрешности приборов. Для поверки счётчиков частиц используют генераторы, которые позволяют распылять частицы определённого размера с известным количеством в объёме. Установка для поверки счётчиков с помощью генератора аэрозолей показана на рис. 3.5.1
Рис. 3.5.1 Установка для поверки аэрозольных счётчиков частиц: 1 - магистраль сжатого воздуха; 2 - фильтр; 3 - регулятор расхода; 4 - ротаметр; 5 - редуктор; 6 – распылитель; 7 - смеситель; 8 - осушитель; 9 - фильтр; 10 - счетчик частиц.
Конструктивно установка для генерации аэрозоля состоит из следующих основных элементов: магистраль сжатого воздуха (1), предназначенная для равномерной подачи воздуха в установку, после которой установлен фильтр (2) для очистки потока от частиц распылительной камеры, в которой происходит смешивание воздушного потока с частицами суспензии с заданными параметрами дисперсного состава; так же в установке предусмотрены вентили и манометры (3), предназначенные для установки необходимого давления и расхода воздуха на распылителе. Для того, что бы очистить полученный аэрозоль от жидкости, в схему введен осушитель (8).