Аппаратура и методики отбора проб
Процедура отбора проб воздушной среды, в общем случае, включает создание потока воздуха через пробоотборное устройство (с помощью побудителей расхода), измерение расхода воздуха (расходомеры), фиксацию анализируемых ингредиентов пробы внутри пробоотборного устройства. Для удобства отбора проб в производственных условиях широко применяют аспирационные устройства, включающие побудитель расхода, расходомерное устройство, позволяющие отбирать вещества в различном агрегатном состоянии. Аспирационные устройства подразделяют в зависимости от следующих факторов: 1) расхода воздуха – на малорасходные и высокорасходные; 2) источника энергии – на сетевые, аккумуляторные, универсальные и ручные; 3) объекта отбора проб – на устройства для газовых и аэродисперсных примесей; 4) степени автоматизации программы работ – на аспираторы ручного управления, при использовании которых начало и режим отбора пробы фиксируются оператором; полуавтоматические, работа которых прекращается по достижении заданного времени или объёма пропущенного воздуха; автоматические, работающие без вмешательстваоператора; 5) количества одновременно отбираемых проб – на одноканальные и многоканальные; 6) условий эксплуатации – на стационарные, переносные, а также индивидуальные пробоотборники. Для создания потока воздуха через пробоотборные устройства используются ручные и водяные аспираторы, а также различные типы электромеханических аспираторов. Среди ручных аспираторов весьма распространены пружинные мхи с известным объёмом, резиновые груши, ручные насосы (поршневые и беспоршневые), откалиброванные шприцы различной вместимостью, газовые пипетки. В качестве водяных аспираторов обычно используют специальные соизмеренные стеклянные ёмкости, заполненные водой, выполняющие роль рабочего тела. В электромеханических аспирационных устройствах для отбора проб воздуха рабочей зоны используют ротационные воздуходувки и диафрагменные насосы. Ротационные воздуходувки отличаются малыми габаритами и массой, которые меньше, чем у аналогичных поршневых насосов. В корпусе воздуходувки вращается ротор со вставленными в пазы лопастями, которые при вращении ротора прижимаются к внутренним стенкам корпуса и обеспечивают всасывание воздуха. Применение ротационных воздуходувок весьма ограничено в связи со сложностью регулирования производительности в широких пределах, кроме того, они создают сильный шум при работе. Простыми и экономичными побудителями расхода воздуха являются диафрагменные насосы. В простейшем виде такой насос подобен поршневому насосу, в котором поршень заменён пульсирующей диафрагмой.Единственными движущимися деталями, находящимися в соприкосновении с перекачиваемой средой, являются диафрагма и клапаны. В связи с простой конструкцией и отсутствием быстроизнашивающихся деталей диафрагменные насосы наиболее надёжны в эксплуатации. По основным технико-экономическим показателям (масса, рабочее давление, производительность) диафрагменные насосы превосходят широко распространённые плунжерные и поршневые насосы или равноценные. Кроме того они дешевле. Диафрагменные насосы более долговечны в эксплуатации, так как срок службы диафрагм намного превышает эксплуатационные данные уплотняющих элементов поршневых насосов. Расходом вещества обычно называют массу или объём вещества, проходящие через определённое сечение канала в единицу времени. Приборы или комплекты приборов, определяющие расход вещества в единицу времени, называют расходомерами. Расходомер может быть снабжен счётчиком, показывающим массу или объём вещества, прошедшего через прибор за какой-либо промежуток времени. В зависимости от принципа действия расходомеры бывают переменного перепада давления и постоянного перепада давления. В основу принципа действия расходомеров переменного перепада давления положено измерение перепада давления на местном сужении (сопротивлении), введённом в поток. При протекании вещества через сужение средняя скорость потока увеличивается, и часть потенциальной энергии давления переходит в кинетическую энергию. В результате статическое давление потока после сужения уменьшается, т.е. возникает перепад давления. Если измерить давление до сужения и непосредственно за ним, то разность давлений будет зависеть от скорости потока, а следовательно, и от расхода. В комплект расходомера переменного перепада давления входят сужающее устройство, дифференциальный манометр (дифманометр) и вторичный прибор для передачи результатов на расстояние. В качестве сужающих устройств применяют нормальные диафрагмы, сопла и трубы Вентури, сегментные диафрагмы и др.Дифманометры, предназначенные для измерения расхода, делятся по принципу действия на поплавковые, колокольные, мембранные, сильфонные, кольцевые и др. Принцип действия расходомеров постоянного перепада давления основан на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела (поплавка), изменяющего при этом площадь проходного отверстия прибора так, что перепад давления по обе стороны поплавка остаётся постоянным. Из этого типа расходомеров наибольшее распространение получили ротаметры и поплавковые расходомеры. Ротаметры – расходомеры с поплавком, перемещающимся вдоль длинной конической трубы. При изменении положения поплавка проходное сечение между ним и внутренней стенкой конической трубки изменяется, что ведёт к изменению скорости потока в проходном сечении, а следовательно, к изменению перепада давления на поплавок. Перемещение поплавка продолжается до тех пор, пока перепад давлений не станет равным массе поплавка. Каждому значению расхода среды, проходящему через ротаметр при определённой плотности и кинематической вязкости, соответствует вполне определённое положение поплавка. Для поплавковых расходомеров характерен поплавок обычной конической формы, перемещающийся внутри отверстия. Их характерными особенностями являются дистанционная (электрическая или пневматическая) передача положения поплавка, незначительный ход поплавка, обычно не превосходящий его диаметр. Кроме того, к наиболее распространённым расходомерам относятся газовые счётчики («газовые часы»), обеспечивающие наибольшую точность измерения. Погрешность измерения объёма пропущенного воздуха для газового барабанного счетчика ГСБ-4 не превышает 1 %. Фиксация анализируемых ингредиентов пробы внутри пробоотборного устройства производится чаще всего с использованием методов обогащения (концентрирования) определяемых веществ, которые различаются при анализе аэрозолей и при анализе газо- и парообразных примесей. Основным методом концентрирования проб при анализе аэрозолей являются механическая фильтрация воздушного потока через инерционные преграды (аэрозольные фильтры типа АФА, фильтры из ткани Петрянова, пористые фильтры Шотта и др.). Для гравиметрического определения концентрации аэрозолей и твёрдых частиц применяют фильтры АФА-ВП, изготовленные из тонковолокнистого перхлорвинилового волокна. Фильтры имеют небольшую массу и гидрофобны. Для химического (реагентного) анализа аэрозолей предназначены фильтры ЛФА-ХП, изготовленные из трёх видов ультратонких волокон; способ извлечения адсорбированных веществ с фильтров представлен в табл. 2.2. При отборе проб фильтры закрепляют в специальных фильтродержателях, в которых диаметр выреза соответствует рабочей поверхности фильтра. Фильтры могут быть использованы при температуре окружающей среды от –200 до +150 °С и скорости аспирации до 140 дм3/мин (фильтры АФА-ВП-20). За рубежом в основном применяют фильтры из стекловолокна. Они также малогигроскопичны, устойчивы ко всем реагентам и выдерживают нагрев до 500 °С. Фильтры могут быть использованы как для гравиметрического, так и для химического анализа. Для фильтрации различных сред, в том числе воздуха, используют наряду с фильтрами из стеклоткани мембранные фильтры марки «Синпор» (Чехия) и марки «Сарториус» (Германия). Их изготовляют из нитроцеллюлозы и других полимерных материалов. Структуру фильтра образует многослойная система «Каморок» высокой пористости, дающая возможность весьма эффективно задерживать даже мельчайшие частицы вещества, распылённые в дисперсионной среде. При фильтрации газов эффективность мембранного фильтра значительно повышается благодаря электростатическим силам и инерции самих частиц. Фильтры «Синпор» выдерживают температуру от –80 до +80 °С и выше. Главными достоинствами мембранных фильтров являются: 1) механическая прочность и упругость (эластичность); 2) крайне малая масса (2 – 6 мг/см2); 3) незначительная гигроскопичность; 4) задерживание улавливаемых частиц аэрозоля преимущественно на поверхности фильтра в таком физическом и химическом состоянии, в каком они находятся в атмосфере; 5) широкий диапазон рабочих температур; Способы извлечения адсорбированных веществ с фильтров Марка фильтра Материал Способ извлечения АФА-ХА Ацетил целлюлоза Сожжение в смеси кислот АФА-ХП Перхлорвинил Растворение в кислоте АФА-ХС Полистирол Растворение в щёлочи 6) устойчивость к агрессивным средам; 7) лёгкость минерализации и растворения в некоторых веществах. Перед использованием фильтров для гравиметрического определения запылённости их предварительно выдерживают в сушильном шкафу 6 ч при 70…80 °С. При сжигании фильтров необходима осторожность, так как фильтры из нитроцеллюлозы отличаются большой горючестью. При концентрировании газо- и парообразных ингредиентов воздушных проб применяют: адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию, криогенное улавливание. Наибольшее распространение получил первый способ, при котором анализируемые вещества поглощаются на поверхности твёрдого сорбента (силикагеля, молекулярных сит, активного угля, графитированной сажи, полимерного сорбента и др.). После сорбции (концентрирования) уловленные ингредиенты воздушной пробы удаляют с поверхности адсорбента нагреванием концентрата в токе инертного газа или воздуха и направляют на анализ; при необходимости термическую десорбцию заменяют растворением сконцентрированных веществ в малом объёме растворителя. Для отбора химических веществ из воздуха используют различные типы сорбционных устройств (коллекторы). Они различаются материалом, из которого изготовлены, формой и размером. Для изготовления коллекторов следует использовать материалы, которые не сорбируют химические вещества. Так, для отбора высокополярных соединений рекомендуется применять коллекторы из нержавеющей стали, тефлона, полированного алюминия, стекла пирекс. Не рекомендуется для изготовления коллекторов поливинилхлорид, полиуретан и резина. Форма коллекторов зависит от количества применяемого сорбента и техники последующей десорбции поглощённых веществ из сорбента. Для отбора паров веществ различной химической природы наибольшее распространение получили прямые сорбционные трубки различных размеров, изготовленные из стекла. Аэродинамическое сопротивление трубки не должно превышать 1 мм рт. ст. при скорости потока воздуха 1 дм3/мин. При необходимости увеличения скорости отбора проб воздуха рекомендуются сорбционные трубки большего размера и с соответственно большим количеством сорбента. В зависимости от предполагаемой концентрации пробы и от вида вредного вещества выбирают количество, тип сорбента и конструкцию индикаторной трубки. Отбор проб в растворы осуществляют аспирацией исследуемого воздуха через поглотительный сосуд (абсорбер) с каким-либо растворителем (органические растворители, кислоты, спирты, вода и др.). Скорость пропускания воздуха может меняться в широких пределах – 0,1…100 дм3/мин. Полнота поглощения зависит от многих факторов, в том числе от конструкции поглотительных сосудов.Наибольшее распространение получили абсорберы со стеклянными пористыми пластинками, поглотительные сосуды Рихтера, Зайцева. Для физической абсорбции важно, чтобы поверхность соприкосновения фаз была наибольшей. В поглотителях с пористой пластинкой этот эффект достигается за счёт уменьшения пузырьков воздуха при прохождении его через пористый фильтр, вследствие чего увеличивается контакт воздуха с раствором, а скорость аспирации воздуха может быть повышена до 3 дм3/мин. Увеличение поверхности контакта может быть достигнуто также в результате увеличения длины пути прохождения пузырьков воздуха через раствор. Так, в поглотительных сосудах Зайцева высота столба растворителя составляет около 10 см. Однако предельная скорость просасывания воздуха через такой поглотитель не превышает 0,5…0,6 дм3/мин. При отборе проб в поглотительные сосуды Рихтера, в которых используют «эффект эжекции», скорость аспирации воздуха может достигать 100 дм3/мин. Более эффективным является поглощение, основанное на химических реакциях исследуемых веществ с поглотительной жидкостью или с твёрдым сорбентом (хемосорбция). Например, для поглощения аммиака и аминов применяют разбавленную серную кислоту, для поглощения фенола – щелочной раствор (гидрокарбонат натрия). Отбор проб из воздуха в охлаждаемые ловушки рекомендуется при отборе нестабильных и реакционноспособных соединений (например бенз(а)пирен из выхлопных газов). Отбор проб сводится к пропусканию исследуемого воздуха со скоростью не более 1 дм3/мин через охлаждаемую ловушку с большей поверхностью, например через стальные или стеклянные трубки, заполненные инертным материалом, которые служат для увеличения охлаждающей поверхности. В качестве хладоагентов используют смеси лёд–вода (0 °С), лёд–хлорид натрия (–16 °С), твёрдая углекислота–ацетон (–80 °С), а также жидкий воздух (–147 °С), жидкий азот (–195 °С), жидкий кислород (–183 °С). Отобранные пробы доставляют в лабораторию охлаждёнными в сосуде Дьюара до той же температуры, при которой проводили отбор, и далее исследуют. Поскольку при вымораживании примесей из больших объёмов воздуха в ловушке одновременно конденсируются и пары воды, перед ловушкой необходимо помещать осушитель (карбонат калия, фосфорный ангидрид, цеолиты). Осушитель подбирают таким образом, чтобы он задерживал влагу из воздуха и не задерживал исследуемое вещество.Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 1595;