Учебный вопрос № 2. Современные методы и приборы контроля качества газов

Существующие методы контроля качества газов можно условно разбить на несколько групп (рис. 8):

Рис.8. Классификация методов оценки вредных выбросов

Лабораторно-исследовательские методы

Существует большое количество лабораторно-исследовательских методов. Все они основаны на использовании физических и химических свойств отдельных веществ, входящих в состав анализируемых отходящих газов. Наиболее распространенными являются пламенно-ионизационный, импульсный, хемилюминесцентный, кулонометрический, кондуктометрии-ческий, флуоресцентный, фотометрический, калориметрический методы.

Процесс исследования состоит из следующих этапов:

1) отбор анализируемой пробы;

2) транспортировка пробы;

3) анализ пробы;

4) обработка и выводы по результатам анализа.

Метод абсорбционной спектрофотометрии – колориметрия. Данные методы являются оптическими методами, в основе которых лежит использование воздействия электромагнитного излучения на исследуемую пробу. Наиболее распространенными являются методы абсорбционной спектрофотометрии видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. При данных методах используются электромагнитные излучения с длиной волн: видимая область спектра 4·10-5...8·10-5см, ультрафиолетовая область спектра 1·10-7… 4·10-5 см, инфракрасная область спектра 8·10-5…3·10-2 см.

Все методы абсорбционной спектрофотометрии основаны на измерении абсорбции (поглощения) электромагнитного излучения с определенной длиной волны исследуемой средой. Максимальное поглощение, соответствующее некоторой определенной длине волны, и тип кривой абсорбции зависят от структуры данной молекулы. Они являются ее специфической характеристикой и могут служить для идентификации молекулы.

Переходя к описанию аппаратуры, техники проведения анализа и использования методов абсорбционной спектрометрии для определения состава отработавших газов, следует разделить их на три группы, соответствующие измерениям в отдельных областях спектра – ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной.

Спектрофотометрия в видимом спектре – колориметрия. Важной особенностью поглощения излучения в видимой области спектра является возможность визуального наблюдения явления. Чтобы исключить зависимость оценки от индивидуальных свойств человеческого глаза, в приборах для измерения интенсивности излучения использованы фотоэлементы и фотоячейки, с помощью которых производится объективная оценка. Сущность колориметрического метода заключается в избирательном воздействии реагирующего вещества на искомое вещество. В результате такого воздействия получаем окрашенный продукт

Спектрофотометрия в ультрафиолетовой области спектра. Принцип работы спектрофотометра ультрафиолетового излучения в основном тот же, что и у приборов, используемых в диапазоне видимого излучения. Он состоит из источника ультрафиолетового излучения, которым чаще всего является водородная лампа, системы разложения света (кварцевая призма или дифракционная решетка), регулируемого окна, камер с репером - эталонным газом и исследуемым газом, детектора, в качестве которого обычно используют фотоэлементы, чувствительные к ультрафиолетовому излучению, и измерительной электросистемы, действующей по принципу компенсации.

Приборы для анализа состава отработавших газов обычно конструируют как двухлучевые. От источника света идут два идентичных пучка лучей, один из которых проходит через газ - эталон, а другой - через исследуемый газ. При помощи системы фотоэлементов определяют разницу проницаемости или поглощения обоих пучков лучей. Для определения содержания в газовой смеси искомого компонента, характеризующегося максимальным поглощением в ультрафиолетовой области спектра, обычно используют эталонную кривую, как и при анализе газов в видимой области спектра (колориметрия).

Спектрофотометрия в инфракрасной области спектра. Оптическая система спектрофотометра инфракрасного излучения идентична схемам вышеописанных приборов. Различие касается качества и конструктивных особенностей отдельных деталей приборов. В качестве источника инфракрасного излучения обычно используют электрически разряженное волокно из агломерированной смеси оксидов цезия, тория, циркония и иттрия. Для детектирования инфракрасного излучения нельзя использовать фотоэлементы или фотоячейки, так как они не реагируют на данную область излучения. Здесь применяют термопары и чувствительные диафрагменные конденсаторы.

Газоанализаторы, действие которых основано на методе абсорбционной спектрофотометрии, позволяют быстро и с достаточной степенью точности определять концентрацию, эти анализаторы приспособлены к автоматическому непрерывному анализу отработавших газов в соответствии со стандартом.

Инструментальные методы

Принцип действия этих приборов также основан на использовании физических и химических свойств.

Измерительные приборы, используемые для анализа, с точки зрения подачи в них проб газов можно разделить на:

приборы для периодических или непрерывных измерений компонентов газов, поступающих непосредственно в прибор;

приборы для периодических измерений компонентов газов, подаваемых в прибор из емкостей, ранее наполненных.

Более удобными являются приборы для непосредственных измерений. Проба газов непрерывно вводится в анализирующую систему. Время, необходимое для определения процентного содержания измеряемого компонента, составляет от 3 до 30 с. Использование инструментального метода позволяет в отличие от лабораторно-исследовательских методов исключить из процессов анализа ряд стадий и практически сразу получить результат.

Органолептический метод

Метод оценки по запаху. Запах может быть определен как ощущение, возникающее в результате взаимодействия химических веществ, присутствующих в пробе, с обонятельной областью человека, расположенной в верхней части носа и регистрируемое в мозгу. Однако не все химические вещества являются пахучими. Характеристиками запаха являются идентификация запаха (определяемость) и его интенсивность. По запаху можно определить - качество (характер запаха) и восприятие (нравится, не нравится, раздражает и т.п.).

Расчетные методы

Все существующие расчетные методы строятся на принципах:

- расчета материального баланса какого либо технологического процесса;

- расчета с использованием удельных показателей.

Расчетный метод определения выбросов имеет следующие преимущества:

- обеспечивает достаточную точность расчетов при незначительных трудозатратах на их выполнение и небольшом объеме исходных данных;

- позволяет определить фактические и ожидаемые концентрации получаемых газов в зависимости от типа установки.

Наиболее простым является метод расчета материального баланса технологического процесса. Суть его заключается в следующем: для конкретного производственного процесса составляется баланс, количество исходных веществ. В этом случае можно получить хорошую сходимость расчетных данных с данными, полученными в ходе проведения фактических замеров.

Методы расчета по удельным показателям. Исходными данными для установления массы примесей служат экспериментальные и расчетные данные о количестве веществ, поступающих в ходе технологического процесса или его отдельной операции, приведенные к единице массы, получаемой продукции, расходуемого материала или к единице времени работы оборудования.