Средний газовый состав природного воздуха

Средняя молекулярная масса воздуха составляет 28,96 а.е.м. и остается практически неизменной до высоты около 90 км. Плотность воздуха при нормальных условиях (давлении 0,101 МПа и температуре 0ºС) равна 1,29 кг/м³.

Воздух представляет собой смесь газов, для характеристики которой используются следующие основные параметры.

Плотность газов. Плотность сухих газов, состоящих из нескольких компонентов, при нормальных условиях (T₀ = 273 K, p₀ = 101,3 кПа), равна, кг/м³

; (1)

, (2)

где M_i– молекулярные массы компонентов в смеси газов, кг/кмоль, a_i – содержание компонентов в смеси, об.%.

Плотность сухих газов при других условиях (при температуре t, ºС, барометрическом давлении р_бар, кПа, и избыточном давлении р, кПа), кг/м³

. (3)

Плотность влажных газов при содержании в них водяных паров x, кг/м³, при нормальных условиях равна, кг/м³

, (4)

где 0,804 – плотность водяных паров при нормальных условиях, кг/м³.

Плотность влажных газов при рабочих условиях, кг/м³

. (5)

Вязкость газов. Динамический коэффициент вязкости смеси газов, состоящей из нескольких компонентов, при нормальных условиях приближенно вычисляется из выражения, Па·с

,(6)

где М_см, М₁, М₂, …, М_n – молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов, кг/моль; а₁, а₂, …, а_n – содержание компонентов в смеси, об.%; μ_см, μ₁, μ₂, …, μ_n – динамические коэффициенты вязкости смеси газов и отдельных компонентов, Па·с.

При рабочей температуре Т, K, динамический коэффициент вязкости, Па·с

. (7)

Значения μ₀ (при 0ºС) и констант Сатерленда С для различных газов приведены в прил.2 [3].

Кинематический коэффициент вязкости газов равен, м²/с

, (8)

где ρ – плотность газа, кг/м³.

Влажность газов. В технике газоочистки влажность газов чаще всего характеризуется величиной их относительной влажности

, (9)

где и – парциальные давления водяных паров в газе при рабочих условиях и при насыщении для данной температуры соответственно, Па.

Объем влажного газа, получаемого из 1 м³ сухого газа при нормальных условиях после насыщения его водяными парами, при температуре T, равен, м³

. (10)

Объем влажных газов при рабочих условиях находят из выражения

, (11)

где V₀ – объем влажных газов при нормальных условиях, м³.

Кислород существует в атмосфере в виде аллотропных модификаций – О₂ и О₃ (озон). В газообразном состоянии О₂ бесцветный, в жидком и твердом имеет светло-голубую окраску. Химически очень активен, образует соединения со всеми элементами кроме гелия и неона.

Озон – газ образующийся из О₂ в спокойном электрическом разряде. Следы О₃ появляются под действием ультрафиолетового (УФ) излучения из О₂ в верхних слоях атмосферы. Максимальная концентрация О₃ в верхних слоях атмосферы на высотах 25–45 км формирует озоновый экран (слой).

Другой, весьма важный и постоянный компонент воздуха – азот. Азот N₂ – бесцветный, химически не активный газ. Энергия диссоциации N₂ = 2N почти в 2 раза больше, чем у О₂, и составляет
944,7 кДж/моль. Высокая прочность связи между атомами в молекуле азота обусловливает его низкую реакционную способность. Однако, несмотря на это, азот образует множество различных соединений, в том числе и с кислородом. Так N₂O – оксид диазота относительно инертен, но при нагревании разлагается на N₂ и O₂. Монооксид азота NO мгновенно реагирует с озоном по реакции NO + O₃ = 2NO₂

Диоксид азота NO₂ очень токсичен, при взаимодействии с водой образует сильную азотную кислоту

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂

В атмосферном воздухе всегда присутствует вода в виде паров, попадающая в атмосферу в результате испарения с поверхности наземных водоемов и транспирации растениями. Конденсация паров воды при охлаждении влажного воздуха вызывает выпадение ее на поверхность земли в виде осадков.

Наряду с постоянно присутствующими компонентами в атмосфере могут в разные периоды времени находиться и другие вещества.

Примесью называется рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе [4].

Все твердые, жидкие или газообразные вещества, изменяющие естественный состав атмосферы и неблагоприятно влияющие на живые организмы, принято называть загрязняющими или вредными веществами.

Количество примесей в атмосфере не является постоянным во времени. Существует несколько способов выражения количества загрязняющих веществ в воздухе: через массовую концентрацию, объемную, в долях, в процентах и др.

Основной количественной характеристикой примесей в атмосфере является объемная концентрация, которую в соответствии с нормативными документами РФ принято выражать как массу в миллиграммах вещества в единице объема воздуха (м³) при нормальных условиях

Такое выражение концентрации удобно тем, что применимо для любого агрегатного состояния примесей: газов, паров, капельножидкого состояния, твердых веществ. Кроме того, такое выражение концентрации примесей позволяет легко подсчитать дозу вредного вещества, попавшего в организм при дыхании.

Концентрации примесей в атмосфере не являются постоянными во времени. Они меняются в зависимости от метеорологических условий, характера выброса в атмосферу, вида и плотности застройки, рельефа местности и других факторов.

Различают разовую концентрацию, среднесуточную или среднюю за более длительный промежуток времени – среднемесячную и среднегодовую.

Под разовой концентрацией понимают содержание загрязняющих примесей в воздухе при относительно кратковременном отборе проб воздуха (20–30 мин). Наивысшее значение концентрации, полученное при анализе многократно отобранных проб, называют максимальной из разовых концентраций.

Так как при современном состоянии техники и технологии полностью избежать попадания в атмосферный воздух вредных веществ не удается, то в результате исследований были разработаны нормативы качества атмосферного воздуха, которые обеспечивают благоприятные условия для существования человека и природы.

Для нормирования качества атмосферного воздуха используются предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (ПДК). Нормативы ПДК для загрязняющих веществ в атмосфере устанавливаются для приземного слоя воздуха на высоте 1,5–2,5 м от поверхности земли.

Предельно допустимая концентрацияпримеси в атмосфере – это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного действия, включая отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом (ГОСТ 17.2.1.04-77).

По времени осреднения ПДК подразделяются на максимальные из разовых (время осреднения 20–30 мин) и среднесуточные.

Максимальная разовая ПДК_мр является основным показателем опасности загрязняющего вещества для организма человека и устанавливается на основе порога рефлекторных реакций (запах, реакция зрачков, изменение электрических потенциалов головного мозга, потоотделение и др.). Среднесуточные ПДК_сс установлены для предотвращения негативных последствий длительного воздействия относительно низких концентраций загрязняющих веществ.

Качество воздуха в нашей стране регламентируется санитарными правилами и нормами. Санитарные нормы устанавливают ПДК вредных веществ для воздуха на территории предприятий (рабочей зоны) и для воздуха населенных мест. При этом для воздуха на территории предприятий устанавливаются только максимальные разовые ПДК_рз, а для населенных мест – как максимальные разовые ПДК_мр, так и среднесуточные ПДК_сс.

Для одного и того же вещества значения ПДК для воздуха производственных помещений и населенных мест существенно отличаются. Это объясняется тем, что в отличие от рабочей зоны на территории населенных мест люди находятся постоянно, в том числе и группы, наименее устойчивые к воздействию вредных факторов: дети, больные хроническими заболеваниями, инвалиды, люди преклонного возраста.

Концентрации загрязняющих веществ не должны превышать:

– в атмосферном воздухе населенных мест – максимальных разовых, указанных в прил. I;

– в воздухе, поступающем внутрь зданий и сооружений через приемные отверстия систем вентиляции и кондиционирования воздуха и через проемы для естественной приточной вентиляции – 30% предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны, указанных в прил. I;

– для зон санитарной охраны курортов, мест размещения крупных санаториев и домов отдыха, зон отдыха городов, а также для других территорий с повышенными требованиями к охране атмосферного воздуха концентрации загрязняющих веществ не должны превышать 0,8 ПДК, установленных для воздуха населенных мест.

Требования к качеству атмосферного воздуха записываются в следующем виде:

для рабочей зоны

С/ПДК_рз ≤ 1; (12)

для воздуха, поступающего через приточные устройства систем вентиляции

С/ПДК_рз ≤ 0,3; (13)

для воздуха населенных мест

С/ПДК_мр ≤ 1; (14)

для зон санитарной охраны курортов, крупных санаториев и домов отдыха, зон отдыха городов (рекреационных зон)

С/ПДК_мр ≤ 0,8 (15)

При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действием (эффектом суммации), их безразмерная суммарная концентрация должна удовлетворять следующему условию:

C₁ / ПДК₁ + С₂/ПДК₂ + …С_n/ПДК_n ≤ 1,(16)

где С₁, С₂ … С_n – концентрации вредных веществ в атмосфере в точке замера, мг/м³, ПДК₁, ПДК₂ … ПДК_n – предельно допустимые концентрации этих веществ в атмосфере, мг/м³.