Определение массовой концентрации пыли в воздухе

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЫЛИ В ВОЗДУХЕ

1 Цель работы

Ознакомление с методикой отбора проб воздуха при помощи аспиратора 822, а также с методикой определения массовой концентрации пыли в атмосферном воздухе.

2 Материалы и оборудование

Аспиратор модели 822, фильтры АФА, аналитические весы; эксикатор; пинцет с пластмассовыми наконечниками; психрометр; барометр; анемометр; термометр.

3. Задание: определить запыленность атмосферного воздуха города Новосибирска с 19.09 по 23.09 согласно существующим метеорологическим условиям зафиксированным для выполнения практической работы №1. Необходимые исходные данные для определения представлены в таблице 2.

Заполнить таблицу 2 - «Запыленность воздуха», сделать выводы. Ответить на контрольные вопросы.

Не забывать про единицы измерения! При необходимости делать пересчет!

Теоретическая часть

Общие положения

Пыль является одной из основных антропогенных примесей, загрязняющих атмосферный воздух и наносящих непоправимый ущерб окружающей среде. Поэтому ее содержание в воздухе постоянно контролируется - измеряется концентрация пыли. В зависимости от применяемого метода измерения различают численную и массовую концентрации пыли.

Для характеристики загрязненности воздуха пылью обычно применяют термин «запыленность воздуха», под которым подразумевается массовая концентрация пыли (выражается в граммах или миллиграммах на 1 м3 воздуха при нормальных условиях).

Для количественной характеристики запыленности воздуха в настоящее время используется преимущественно весовой метод (гравиметрия). Метод применяется для определения разовых и среднесуточных концентраций пыли в воздухе населенных пунктов и санитарно-защитных зон 0,3 мг/м3 (м. р.).

Концентрацию пыли в воздухе определяют двумя способами:

– с предварительным осаждением пыли (весовой, радиоизотопный, оптический, пьезоэлектрический методы, метод, основанный на улавливании пыли водой, метод механических вибраций, метод, основанный на измерении перепада давлений на фильтре);

– без предварительного осаждения пыли (акустический, оптический, электрический методы). При измерении концентрации пыли в атмосферном воздухе и в воздухе помещений предпочтение отдают методам, основанным на предварительном осаждении, поскольку большинство из них позволяет определить массовую концентрацию пыли, что особенно важно при проведении контроля состояния помещений.

Кроме того, эти методы менее чувствительны к изменениям свойств пыли, что особенно характерно для атмосферной пыли. Чаще всего для выделения частиц пыли из воздушной среды используют метод фильтрации, хотя применяют и методы, основанные на использовании электростатических, центробежных, инерционных сил. С помощью методов центробежного и инерционного осаждения можно выделить только крупные частицы пыли размером более 0,5-1 мкм. Метод фильтрации позволяет выделить частицы размером до 0,1 мкм. Методом электростатического осаждения удается выделить мелкие частицы размером до 0,01 мкм. При исследовании пыли с широким диапазоном размеров частиц необходимо использовать не один, а несколько методов пылевыделения.

Принцип действия аспиратора модели 822 (рис. 1). К входному штуцеру аспиратора с помощью гибкого шланга присоединяется фильтр в фильтродержателе. Воздух просасывается через фильтр, оставляя на нем содержащиеся примеси. Зная скорость прохождения воздуха и время отбора пробы, определяют объем воздуха, прокаченный через фильтр. Количество осевшей на фильтре пыли определяют весовым методом. Запыленность воздуха рассчитывают, исходя из количества пыли и объема прокаченного воздуха. Аспиратор (рис. 1) работает от сети переменного тока и потребляет мощность 100 Вт. Необходимая скорость прохождения воздуха регулируется путем вращения ручек вентилей ротаметров. Ротаметры, предназначенные для измерения расхода воздуха, представляют собой градуированные стеклянные трубки с поплавками. Первые два ротаметра аспиратора служат для отбора проб воздуха на запыленность (от 0 до 20 л/мин), вторые — на загазованность (от 0 до 1 л/мин). Для определения загазованности воздуха используют специальные поглотительные трубки.

Рис. 1. Аспиратор для отбора проб модели 822:

1 – входная колодка; 2 – предохранитель; 3 – поплавок ротаметра; 4 – тумблер включения и выключения аспиратора; 5 – разгрузочный клапан; 6, 7 – ротаметры для определения запыленности; 8, 9 – ротаметры для определения загазованности; 10 – ручка вентиля ротаметра; 11 – входной штуцер

Фильтры. В качестве фильтрующего материала используют пористые вещества (вату, асбест, бумагу, стекловолокно). В отечественных приборах давно применяют аналитические аэрозольные фильтры АФА, которые обладают высокой эффективностью фильтрации и малым аэродинамическим сопротивлением. Эти фильтры улавливают частицы размером 0,1-0,2 мкм при объемной скорости прокачивания воздуха до 6 м3/ч. Для весового метода удобно использовать перхлорвиниловые фильтры АФА-ВП-10 и АФА-ВП-20.

При определении концентрации пыли в воздухе также есть несколько моментов, которые необходимо учесть.

1. Включать аспиратор без фильтров нельзя, иначе он может преждевременно выйти из строя из-за загрязнения воздуходувки. Поэтому для установления необходимой скорости прохождения воздуха используют пробный фильтр.

2. В комплект поставки фильтров АФА-ВП, как правило, входят сами фильтры с бумажной подложкой и бумажные держатели для фильтров (рис. 3). Поскольку фильтры изготовлены из тонких волокон, которые легко отделяются, то в процессе работы волокна могут остаться на пальцах или фильтродержателе. Кроме этого, как показал наш опыт использования фильтров АФА, фильтры нельзя складывать один на другой, так как впоследствии их трудно отделить друг от друга. Поэтому для исключения потери массы фильтров целесообразно их сразу вставлять в бумажные держатели и после взвешивания каждый фильтр в бумажном держателе помещать в отдельный пакет.

Рис. 2. Фильтродержатель ИРА-10:

1 – фильтродержатель, 2 – фильтр АФА, 3 – фильтр в фильтродержателе, соединенном с гибким шлангом

Рис. 3. Фильтр АФА-ВП-10:

1 – бумажная подложка, 2 – фильтр, 3 – бумажный держатель для фильтра, 4 – фильтр в бумажном держателе.

3. Фильтры АФА-ВП-10 не требуют особой подготовки, так как обладают водоотталкивающими свойствами, но их взвешивают вместе с бумажными держателями, а бумага хорошо впитывает и отдает влагу. Поэтому, как и при определении запыленности документов, мы должны учитывать влажность фильтров с держателями, так как абсолютные величины оседающей пыли очень малы (в среднем 0,1–10 % от массы фильтра).

Отбор проб воздуха для определения концентрации взвешенных веществ в атмосфере

Как и во всех аналитических исследованиях, правильный отбор пробы имеет решающее значение. Результаты самого точного и тщательно выполненного анализа теряют всякий смысл в случае неправильной подготовки к отбору пробы и неверного его выполнения. Пробы воздуха можно либо отбирать в специальные емкости, которые затем доставляются к месту проведения анализа, либо непосредственно вводить в прибор для анализа. При этом можно также повышать концентрацию вредного вещества в пробе адсорбцией, например на фильтровальной бумаге или в жидкостях.

В большинстве случаев одновременно с отбором необходимо измерить объем взятой пробы воздуха, атмосферное давление, скорость ветра, температуру и влажность воздуха.

Место для отбора проб выбирается так, чтобы в непосредственной близости от него не было каких-либо деревьев или стен зданий. Нельзя также проводить отбор пробы во время дождя или снегопада. Отбор проб осуществляется путем аспирации определенного объема атмосферного воздуха через аэрозольный фильтр, задерживающий содержащиеся в воздухе частицы, т. о. определяемая примесь из большого объема воздуха концентрируется на фильтре.

Характеристики загрязнения определяются за различные интервалы времени, в течение которых проявляется изменчивость загрязнения атмосферы, например за сутки, неделю или более длительные периоды. Анализ данных наблюдений может быть проведен с учетом различных метеорологических условий: слабых скоростей ветра, длительных периодов инверсий температуры воздуха, застоев воздуха и так далее. Обобщение материалов наблюдений выполняется отдельно по каждой точке измерений, по различным зонам промышленного района.

При наблюдениях за уровнем загрязнения атмосферы могут использоваться следующие режимы отбора проб: разовый, продолжающийся 20—30 мин; дискретный, при котором в один поглотительный прибор или на фильтр через равные промежутки времени в течение суток отбирают несколько (от 3 до 8) разовых проб, и суточный, при котором отбор в один поглотительный прибор или на фильтр производится непрерывно в течение суток.

Ход определения

При подготовке к отбору проб для определения массовой концентрации аэрозолей фильтры выдерживают в открытых пакетах в течение суток в эксикаторе с осушителем (хлоридом кальция). Затем извлекают из пакета пинцетом, взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,1 мг, снова вкладывают в пакет и записывают на нем массу фильтра и его номер. Те же данные вносят в рабочий журнал. Фильтры хранят в сухом помещении при комнатной температуре в условиях, исключающих попадание на них пыли. Для предупреждения влияния электростатического заряда фильтров на точность взвешивания, фильтры на чашке весов покрывают сверху предварительно взвешенным кружочком из алюминиевой фольги.

В качестве фильтров широко применяют специальные аналитические аэрозольные фильтры марки АФА. В этих фильтрах фильтрующим материалом является перхлорвиниловая ткань ФПП. Ткань помещена в защитное бумажное кольцо. При отборе проб фильтры устанавливают в металлические или пластмассовые патроны (аллонжи).

Фильтры взвешивают до и после запыления на лабораторных весах с точностью до 0,1 мг.

Одновременно с отбором проб воздуха провести замеры температуры и влажности воздуха, давления атмосферы, определить направление и скорость ветра. По результатам замеров и вычислений заполнить таблицы 1, 2, провести математическую обработку результатов.

Определение массовой концентрации пыли в воздухе

Весовой метод измерения концентрации пыли основан на выделении пыли из пылегазового потока и определении ее массы путем взвешивания. При использовании этого метода отбирают пробу запыленного воздуха, измеряют ее объем, отделяют пыль от воздуха и взвешивают ее.

Определение массового содержания пыли в воздухе основано на том, что объем воздуха (V0) пропускают через фильтрующий материал и находят массу этого материала до (m1) и после (m2 ) запыления по формуле (1):

(1)

где С - весовая концентрация пыли, мг/м ;

m1 - масса фильтра до отбора пыли, мг;

m2 - масса фильтра после отбора пыли, мг;

  V0 - объем воздуха, протянутого через фильтр, приведенный к нормальным условиям.

(2)

где Р - барометрическое давление, мм. рт. ст.;

Т - температура воздуха, °С,

Vt - объем воздуха, протянутого через фильтр, м3.

Объем анализируемой пробы определяется по формуле:

  (3)

где q - объемная скорость при отборе пробы, л/мин;

t - время отбора пробы, мин.

Все результаты измерений заносят в рабочий журнал. Относительная суммарная погрешность измерения массовой концентрации определяемых веществ в атмосферном воздухе, согласно стандартам, не должна превышать ±25 %.

Результаты:

Таблица 1 – Метеорологические условия при проведении эксперимента Метеорологические условия Число и время отбора пробы Температура воздуха, Т, °С Барометрическое давление, Р, мм. рт. ст Влажность воздуха, % Направление ветра Скорость ветра, м/с

Результаты определения запыленности атмосферного воздуха представлены в виде таблицы 2.

Таблица 2 - Определение запыленности воздуха № фильтра m1, г m2, г t, мин q, л/мин Vt, м3 V0, м3 С, мг/м3 ПДК, мг/м3 1 2 3 4

Исходные данные по вариантам № фильтра m1, мг m2, мг t, мин g, л/мин Vt, м3 V0, м3 C, мг/м3 ПДК, мг/м3 Вариант 1, 11 1 0,6258 0,6451 10 7 0,3 2 0,5606 0,5787 10 7 0,3 3 0,6131 0,6313 20 7 0,3 4 0,6246 0,6433 20 7 0,3 Вариант 2 12 1 0,4256 0,4516 10 7 0,3 2 0,3646 0,3717 10 7 0,3 3 0,8301 0,8882 20 7 0,3 4 0,6346 0,6444 20 7 0,3 Вариант 3 13 1 0,1256 0,1455 5 5 0,3 2 0,3646 0,3717 5 5 0,3 3 0,6453 0,6625 10 5 0,3 4 0,2346 0,2444 10 5 0,3 Вариант 4 14 1 0,2556 0,2645 5 5 0,3 2 0,3646 0,3717 5 5 0,3 3 0,3456 0,3466 10 5 0,3 4 0,2333 0,2448 10 5 0,3 Вариант 5 15 1 0,2656 0,2765 5 10 0,3 2 0,3646 0,3717 5 10 0,3 3 0,4563 0,4682 8 10 0,3 4 0,2344 0,2448 8 10 0,3 Вариант 6 16 1 0,5258 0,544 10 7 0,3 2 0,5606 0,579 10 7 0,3 3 0,1131 0,163 20 7 0,3 4 0,4246 0,449 20 7 0,3 Вариант 7 17 1 0,1258 0,128 10 7 0,3 2 0,2358 0,279 10 7 0,3 3 0,6131 0,621 20 7 0,3 4 0,4246 0,444 20 7 0,3 Вариант 8 18 1 0,1256 0,127 5 5 0,3 2 0,3646 0,372 5 5 0,3 3 0,6453 0,663 10 5 0,3 4 0,2346 0,244 10 5 0,3 Вариант 9 19 1 0,2556 0,265 10 5 0,3 2 0,3646 0,372 5 5 0,3 3 0,3456 0,347 20 5 0,3 4 0,2333 0,245 15 5 0,3 Вариант 10 20 1 0,2656 0,277 5 10 0,3 2 0,4646 0,472 5 10 0,3 3 0,5563 0,568 8 10 0,3 4 0,2344 0,245 8 10 0,3

4. Контрольные вопросы 1. Что понимают под запыленностью атмосферного воздуха? 2. Какими способами определяют концентрацию пыли в атмосферном воздухе? 3. Объяснить принцип действия аспиратора 4. Рассказать ход проведения отбора проб воздуха для определения концентрации взвешенных веществ в атмосфере 5. Рассказать ход расчета запыленности атмосферного воздуха. Какие метеорологические параметры влияют на определение концентрации пыли в атмосферном воздухе. 6. Провести анализ запыленности атмосферного воздуха г. Новосибирска, основываясь на полученные результаты аналитического анализа.