Анализ атмосферного воздуха

1. Общие сведения по разделу «мониторинг атмосферного воздуха»

Мониторинг атмосферного воздуха - система наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, его загрязнением и за происходящими в нем природными явлениями, а также оценка и прогноз состояния атмосферного воздуха, его загрязнения.

Мониторинг состояния атмосферного воздуха подразделяется на две системы: наблюдения (наблюдение за качеством атмосферного воздуха на территориях, расположенных вне зоны влияния конкретных источников загрязнения) и контроля (контроль источников загрязнения и регулирования выбросов вредных веществ в атмосферу).

С целью получения информации об изменчивости загрязнения воздуха проводится рекогносцировка (предварительное обследование состояния атмосферного воздуха на определенной территории с помощью передвижных средств). Мониторинг атмосферного воздуха осуществляется на постах наблюдения:

1. стационарный пост наблюдений - место расположения специально оборудованного павильона для размещения аппаратуры, необходимой для непрерывной длительной регистрации концентраций загрязняющих атмосферу веществ, приборов для отбора проб и измерения метеорологических параметров по установленной программе;

2. маршрутный пост наблюдений - место на определенном маршруте, предназначенное для отбора проб воздуха по графику последовательно во времени с помощью переносной аппаратуры и (или) передвижной лаборатории;

3. передвижной (подфакельный) пост - место отбора проб по установленной программе под факелом от источника загрязнения атмосферы. [1]

Пост наблюдений дает информацию об общем состоянии атмосферного воздуха и осуществляет контроль за источниками выбросов.

К основным загрязняющим веществам относятся:

1. пыль (взвешенные частицы диаметром от 0,1 до 850 мкм, образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса, при сжигании топлива (зола), входит в состав промышленных выбросов в виде твердого высокодисперсного углерода, образующегося при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов);

2. CO (важнейшим источником выделения в атмосферу являются автотранспортные средства; выбросы этой примеси достигают пиковых значений в пробках и на регулируемых перекрестках);

3. SO₂ и H₂S (присутствие в атмосферном воздухе определяется выбросами тепловых станций, коммунальных котельных, домашним отоплением, дизельными двигателями и при переработке сернистых руд), газ в первую очередь участвует в формировании кислотных дождей.

4. NO₂ (основным источником поступления этого вещества в атмосферу является автотранспорт);

5. NO (выделяется при сгорании топлива (особенно автомобильного), при деятельность предприятий, производящих азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты);

6. NH₃ (основными источниками выделения аммиака являются азотнотуковые комбинаты, предприятия по производству азотной кислоты и солей аммония, холодильные установки, коксохимические заводы и животноводческие фермы);

7. углеводороды (содержатся в несгоревшем топливе, промышленных растворителях и выбрасываются в атмосферный воздух нефтеперерабатывающими предприятиями).

Выбор других веществ, требующих контроля, определяется спецификой производства и выбросов в данной местности и частотой превышения ПДК.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) – утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается такая концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.

Эта величина обоснована клиническими и санитарно-гигиеническими исследованиями и носит законодательный характер.

Виды ПДК:

ПДК с.с. — это средне суточная предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе населённых мест в мг/м3. Эта концентрация не должна оказывать прямого или косвенного вредного воздействия на организм человека в условиях неопределённо долгого круглосуточного вдыхания (за 24 часа). Чтобы установить среднесуточные ПДК атмосферных загрязнений, проводят токсикологический эксперимент на животных. Является самым жёстким показателем.

ПДКм.р. — это максимально-разовое значение предельно допустимых концентраций устанавливающееся для предотвращения рефлекторных реакций человека (ощущение запаха, изменение биоэлектрической активности головного мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном действии примесей. Максимально-разовая ПДК определяется в процессе наблюдений над людьми, которые кратковременно (5-20 мин.) вдыхают воздух с малыми концентрациями изучаемого вещества.

ПДКр.з. — это концентрациявредного вещества в воздухе рабочей зоны в мгр/м3, эта концентрация не должна вызывать у работающих при ежедневном вдыхании в течение 8 часов и не более 40 часов в неделю за все время рабочего стажа, каких либо заболеваний или отклонений от нормального состояния здоровья.

В воздушном и в водном бассейнах, как правило, находится не одно, а несколько вредных веществ. Причем многие из них (сернистый раз и двуокись азота, сернистый газ и сероводород и т.д.) обладают эффектом синергизма (синергизм — содружественное действие двух или нескольких агентов в одном и том же направлении).

В природоохранную практику внедряется такой норматив, как предельно допустимый выброс (ПДВ) вредных веществ в атмосферу. Важно отметить, что его устанавливают для каждого источника загрязнения с учетом соблюдения ПДК и ПДЕН (предельно допустимых нагрузок на экологические системы). ПДВ вводятся для всех предприятий, выбросы которых загрязняют атмосферный воздух конкретной территории (города, населенного пункта). Это необходимо для достижения согласованности между количеством вредных выбросов от отдельных источников загрязнения, расположенных на данной территории, и предельно допустимой концентрации вредных веществ.

Гигиенические нормативы — ПДК или ПДВ являются важнейшими критериями качества окружающей среды, сравнение с которыми фактических показателей загрязнения указывает на экологическую чистоту предприятий материального производства.

Качество атмосферного воздуха определяется индексом загрязнения атмосферы (ИЗА) – комплексным показателем степени загрязнения атмосферы, рассчитываемым как сумма средних концентраций в единицах ПДК с учетом класса опасности соответствующего загрязняющего вещества.

Газоанализаторы.

Методы дискретного отбора проб воздуха для последующего анализа в химической лаборатория, несомненно, важны и необходимы в общей системе наблюдений загрязнения атмосферного воздуха. Однако при получении информации о состоянии загрязнения атмосферного воздуха только в сроки 7, 13 и 19 ч нельзя быть уверенным в объективности информации о средней суточной концентрации. Не исключено, что в промежуточные сроки наблюдались значительно более высокие или более низкие концентрации. По данным таких дискретных наблюдений нельзя установить суточный ход концентрации примеси и его зависимость от метеорологических условий. Поэтому на пунктах наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха используются газоанализаторы, позволяющие восполнить пробел и ручных методах дискретною отбора проб и представляющие информацию о суточном ходе концентрации по записи на диаграммной ленте.

Газоанализатор - измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Различают газоанализаторы ручного действия и автоматические. Среди первых наиболее распространены абсорбционные газоанализаторы, в которых компоненты газовой смеси последовательно поглощаются различными реагентами. Автоматические газоанализаторы непрерывно измеряют какую-либо физическую или физико-химическую характеристику газовой смеси или её отдельных компонентов.

Исследование состояния атмосферного воздуха с помощью газоаналитического оборудования

Таблица 3

Модель,изготовитель	Анализируемые компоненты
1)«17С», Thermo ElectronCor	Оксид азота (NO), диоксид азота (NO₂), аммиак (NH₃);
2)«450С», Thermo ElectronCorp	Диоксид серы (SO₂), сероводород (H₂S);
3) Промышленный компьютер
4) «ДАСТ»,ООО «Мониторинг	Пыль (взвешенные частицы диаметром 1-10 мкм);
5)«48i», Thermo ElectronCorp	Оксид углерода (СО);
6). «55С», Thermo ElectronCorp	Метан (СH₄), сумма углеводородов.

Рисунок 8 – Амортизационная стойка

Все газоанализаторы в передвижной экологической лаборатории вмонтированы в амортизационную стойку, представленную на рис.8.

Данные с газоанализаторов поступают на промышленный компьютер.

Работа газоаналитического оборудования контролируется системой сбора данных.

Газоанализатор «48i » (оксид углерода).

Газоанализатор модели «48i» служит для измерения концентрации угарного газа, используя корреляционный газовый фильтр. Модель «48i» работает на принципе поглощения угарным газом (СО) инфракрасной радиации с длиной волны в 4.6 мк.

Испытуемый образец попадает в газоанализатор (рисунок 9), затем в оптическую камеру. Излучение от инфракрасного источника дробится и затем проходит сквозь газовый фильтр, разделяющий СО и N₂. Затем излучение проникает через узкий полосно-пропускающий фильтр в оптическую камеру, где происходит поглощение типовым газом. Инфракрасное излучение выходит из оптической камеры и попадает на инфракрасный датчик.

Фильтр угарного газа СО формирует опорный луч, который в дальнейшем не разжижается угарным газом на отборной ячейке. Сторона N₂ диска фильтра прозрачна для инфракрасного излучения и поэтому пропускает измеряемый луч, который может быть поглощен угарным газом в ячейке. Сигнал детектора модулирован чередованием между двумя газовыми фильтрами с амплитудой, зависящей от концентрации угарного газа. Так как другие газы поглощают опорный и иные лучи в одинаковой степени, они не вызывают модуляцию сигнала детектора. Таким образом, система газового корреляционного фильтра определенно реагирует на угарный газ.

Модель «48i» выводит данные о концентрации угарного газа на переднюю панель дисплея, аналоговые выходы, а также делает данные доступными порядковому соединению или соединению по локальной сети Internet.

Рисунок 9 – Схема работы газоанализатора модели «48i»

Газоанализатор «17С» (Оксид азота, диоксид азота, аммиак)

В хемилюминесцентном анализаторе NH3 модели «17C» используется реакция окиси азота NO с озоном О3.

Анализируемый газ подается в прибор с помощью внешнего насоса. После того, как газ достигнет реакционной камеры, он смешивается с озоном, который сгенерирован встроенным озонатором. При этом происходит химическая реакция:

NO + О₃ =NO₂ + O₂ + hv

Эта реакция вызывает характеристическую люминесценцию с интенсивностью, пропорциональной концентрации NО. Эмиссия света происходит, когда электронным способом возбужденные молекулы NО, переходят к более низким энергетическим состояниям. Эмиссия света детектируется лампой фотоумножителя, которая в свою очередь генерирует соответствующий электронный сигнал. Электронный сигнал обрабатывается микрокомпьютером и переводится в единицы концентрации NО.

Для измерения концентрации NOx (NO + NО₂), диоксид азота должен быть преобразован в оксид азота до достижения реакционной камеры. Это преобразование происходит в молибденовом конвертере, нагретом приблизительно до 325 °С. После достижения реакционной камеры, преобразованные молекулы, наряду с молекулами оригинального NО, вступают в реакцию с озоном. Результирующий сигнал представляет концентрацию NO_x.

Для измерения концентрации N_t ((NO + NО₂ + NН₃) и NО₂ и NН₃, должны быть преобразованы в NО до достижения реакционной камеры. Это преобразование происходит в конвертере из нержавеющей стали, нагретом приблизительно до 825 °С. После достижения реакционной камеры преобразованные молекулы, наряду с молекулами оригинального NО, вступают в реакцию с озоном. Результирующий сигнал представляет концентрацию N_t.

Концентрация NO₂ определяется вычитанием сигнала, полученного в режиме NO из сигнала, полученного в режиме NO_x.

NО_x - NO= NO₂

Концентрация NH₃ определяется вычитаем сигнала, полученного в режиме N_t (из сигнала, полученного в режиме NO_x)

NO_x - Nt =NH₃

Величины концентраций NО, NО₂ и HN₃ выводятся на дисплей на передней панели прибора модели «17C», а концентрации NO, NO₂, NH₃ и NO_x - на аналоговые выходы.

Газоанализатор «450С» (Диоксид серы, сероводород)

Работа модели «450С» (рисунок 10) основана на принципе преобразования H₂S в SO₂. Молекулы SO₂ поглощают ультрафиолетовые лучи (УФ) и возбуждаются на одной длине волны, а затем затухают, переходя на более низкий энергетический уровень УФ-излучения с другой длиной волны. В частности,

H₂S SO₂;

SO₂ + hv ₁ SO^*₂ SО₂+ hv ₂

Рисунок 10 – Схема работы газоанализатора «450С»

Образец поступает в модель «450С» через распределительный блок отбора. С распределительного блока образец либо отводится на преобразователь, либо в обход преобразователя выводится напрямую на сброс углеводорода. В случае, если образец пропускается через преобразователь, уровни концентрации H₂S могут быть выведены логическим путем. Если требуются показания концентрации SО₂, образец не пропускается через преобразователь.

Образец, поступающий как напрямую с распределительного блока, так и обрабатываемый в преобразователе, проходит через сброс углеводорода. Сбрасыватель удаляет углеводороды из образца, заставляя молекулы углеводорода дифференцировано проникать через стенку трубки для контроля проникающей способности. Молекулы SО₂ проходят через сбрасыватель углеводородов в нетронутом виде.

Далее образец поступает во флуоресцентную камеру, в которой пульсирующее УФ излучение возбуждает молекулы SО₂. Линзы конденсора фокусируют пульсирующее УФ излучение в зеркальном блоке, состоящем из четырех зеркал, которые выборочно отражают только те длины волн, которые возбуждают молекулы SО₂. По мере перехода на более низкие энергетические уровни возбужденные молекулы SО₂испускают УФ излучение, соразмерное концентрации SО₂. Полосовой фильтр позволяет пройти только длинам волн, испускаемым возбужденными молекулами SО₂, для поступления на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). ФЭУ выделяет УФ-излучение из затухающих молекул SО₂. Фотоприемник, расположенный на тыльной стороне флуоресцентной камеры, контролирует в непрерывном режиме источник пульсирующего УФ-излучения и соединен с электронной цепью, компенсирующей колебания этого источника излучения.

После этого образец проходит через датчик расхода, капиллярное устройство и межтрубное пространство системы сброса углеводородов. Модель «450С» выводит уровни концентрации SО₂;H₂S на индикаторный дисплей передней панели и аналоговые выходы.

Газоанализатор «55С» (Метан, сумма углеводородов)

Система измерения концентрации предельных/непредельных углеводородов модели 55С (рисунок 11) основана на достижениях на газовой хроматографии.

Модель «55С» представляет собой автоматический анализатор периодического действия, который многократно собирает и производит анализ небольшой части потока образцов, засасываемых насосом. Центральным элементом в работе прибора является 8-портовый двухпозиционный поворотный клапан, который служит для подачи образца газа в анализатор и управления течением газа через хроматографическую колонку.

Рисунок 11 – Схема газоанализатора «55С»

В интервалах между взятием проб или при работе в дежурном режиме, поворотный клапан находится в положении «ОБРАТНАЯ ПРОДУВКА». В этом положении пробы газа постоянно проходят через петлю отбора проб, которая представляет собой спиральную лифтовую колонку. Для начала проведения анализов, поворотный клапан переводится в положение ВПУСК. При этом входное отверстие носителя соединяется с петлей взятия проб и, таким образом, происходит нагнетание образца газа, находившегося в петле, в поток инертного «транспортирующего газа».

Транспортирующий газ подает образцы из петли в передний, или «впускающий» конец разделительной колонки. При прохождении образца газа через колонку, различные элементы двигаются с различной скоростью, которая определяется их физическими и химическими свойствами. Из-за низкого молекулярного веса и высокой летучести метан движется быстрее других органических элементов и первым выходит с противоположного конца колонки. При выходе с конца колонки метан в обратном направлении проходит через поворотный клапан и затем попадает в пламенно ионизационный детектор (ПИД). ПИД измеряет содержание метана в пробе, и при сравнении с сигналом, полученным от калибровочного газа, сигнал детектора преобразуется в концентрацию. В модели «55С» используется пламенно-ионизационный детектор аналогичный тем, которые применяются в лабораторных приборах, он использует водородное пламя для ионизации органических молекул в транспортирующем газе

Если сигнал пламенно-ионизационного детектора постоянно проверяется диаграммным самописцем, на выходе создается хроматограмма, которая показывает на первом пике концентрацию метана, а на втором пике общую концентрацию не метановых углеводородов.

Анализатор «ДАСТ» (Пыль)

Анализатор измеряет массовую концентрацию фиброгенно-опасной фракции пыли с использованием циклона (размер частиц < 10 мкм) или общую массовую концентрацию пыли с размером частиц не более 100 мкм. (рис.14).

Составные части воздухозаборного тракта (атмосферный зонд, циклон, воздуховод нагреваемый) оснащены автоматизированной системой подогрева воздуха (термостабилизации) для исключения конденсации влаги в воздухозаборе аналитического блока.

Таблица 4

1). циклон;

2) датчик температуры пробоотборной трубки

3) нагреватель трубки;

4) каплезашитный колпак

5) датчик наружной температуры

6) пробоотборная трубка;

7) нагреватель воздуходува:

8) внутренний датчик температуры;

9) блок аналитический;

10) воздуховод.