Тема № 9 Виды контроля состояния атмосферного воздуха и газовых потоков

Используется качественный и количественный анализ газовой смеси.

Качественный – определение присутствия в воздухе отдельных компонентов без установления их содержания.

Количественный – состав газовой смеси, % или содержание в ней отдельных компонентов.

Качественный анализ производится с помощью органолептического или индикационного метода, либо с использованием жидких и пористых поглотителей.

Органолептический метод основан на определении примесей, которые содержатся в атмосфере либо газовых выбросах по цвету или запаху. К газам, обладающим специфическим цветом, относят фтор (черный), хлор (желтый), диоксид азота и некоторые другие; специфическим запахом отличаются хлор, аммиак, диоксид серы, оксиды азота, сероводород, фтористые соединения, цианиды, некоторые углеводороды и другие органические соединения.

Однако индикацию газов органолептическим методом нельзя считать достоверной, так как возможная ошибка зависит не только от субъективных особенностей человека, но и от того, что специфический цвет или запах могут маскироваться окраской и запахом других примесей.

Индикационный метод основан на изменении окраски индикаторной бумаги, пропитанной соответствующими реактивами в присутствии какого-либо компонента газовой смеси.

Красная лакмусовая бумага синеет в присутствии аммиака, но остается без изменений в присутствии кислых примесей (SO₂, CO₂, NO₂, NO,H₂S). Красная и синяя лакмусовые бумаги обесцвечиваются в присутствии хлора, а бумага, пропитанная ацетатом свинца, чернеет в присутствии сероводорода.

Индикация в случае жидких и пористых поглотителей заключается в просасывании воздуха через жидкость или через пористый материал (силикагель, пемза). О наличии газов судят по изменению цвета жидкости (раствора).

Первым условием точного определения содержания в газовой примеси какого-либо компонента являются правильный отбор проб для анализа и ее обработка.

Проводят отбор пробы для анализа и обработки. В зависимости от состояния, в котором находится вещество, выбирают метод его выделения. Для улавливания газа или пара включающую их газовую смесь обычно пропускают через поглотительные приборы, содержащие жидкость, способную поглотить определяемый газ. Для поглощения аэрозолей, как правило, используют твердые поглотители: вату, лигнин.

При отборе проб необходимо заранее установить скорость прохождения воздуха через пробоотборник и число поглотительных сосудов, необходимых для улавливания подлежащих анализу примесей в виде газа, аэрозоля, пыли. В каждой точке принято отбирать не менее двух параллельных проб, причем результаты параллельных анализов не должны расходиться более чем на 10 %.

Для отбора проб газа, содержащего токсичные примеси в небольшой концентрации, используют аспираторы, в которых определенный объем газа проходит через поглотительную среду, где он растворяется или связывается химически. Постепенно определяемые примеси накапливаются в поглотителе в количествах, достаточных для аналитического определения. Скорость аспирации через жидкие поглотительные среды не должна превышать 1,5-2 л/мин.

Водяной аспиратор состоит из двух сосудов, соединенных резиновой трубкой и находящихся на разной высоте. Верхний сосуд наполнен водой. Когда вода перетекает в нижний сосуд, в верхнем создается разрежение, вызывающее поток исследуемого газа через поглотительные приборы с жидким сорбентом.

Эффективность поглощения зависит от поглотителя. Самая высокая поглотительная способность – твердые сорбенты (активированный уголь, цеолиты, силикагель с размером зерен 0,25-0,5 мм), которые помещают в u-образные трубки с боковыми отводами.

В качестве жидких поглотителей используют растворы химических соединений – солей, кислот, оснований.

Для анализа газов используются газоанализаторы – измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Различают газоанализаторы ручного действия и автоматические.

На практике используют газоанализаторы:

1. механические

2. тепловые

3. магнитные

4. электрические

5. оптические

6. хроматографические

1. механическиегазоанализаторы:

Действие механических газоанализаторов основано на измерении молекулярно-механических параметров анализируемой газовой смеси и их изменении при химическом или физико-химическом извлечении из смеси определяемого компонента. В зависимости от измеряемой механической характеристики различают

1.1 вискозиметрические (измерение вязкости);

1.2 денсиметрические – основаны на измерении плотности газовой смеси. Определяют главным образом содержание углекислого газа, плотность которого в 1,5 раза превышает плотность чистого воздуха;

1.3 акустические;

1.4 диффузионные;

1.5 объемно-манометрические.

Применение объемно-манометрических газоанализаторов получило наибольшее распространение. Анализ газовой смеси с применением объемно-манометрических (ОМ) газоанализаторов основан на изменении объема анализируемой пробы после извлечения из него компонента. Это извлечение осуществляется при постоянной температуре и давлении с помощью химической реакции, селективной по отношению к определенному компоненту либо за счет физического воздействия на пробу, дающего тот же результат.

Уменьшение объемной доли газовой смеси (в процентах) к первоначальному соответствует содержанию извлеченного компонента. ОМ газоанализаторы используют для периодических наблюдений за содержанием в атмосфере и газовых выбросах СО₂, SO₂, NH₃, О₂, Н₂, гремучей смеси (2Н₂ + О₂) и некоторых других газов. К недостаткам ОМ газоанализаторов следует отнести длительность анализа и сравнительно невысокую точность определений.

2. тепловые

Действие тепловых газоанализаторов основано на изменении тепловых свойств определяемого компонента при изменении его концентрации. Принцип действия тепловых газоанализаторов основан на определении теплового эффекта химической реакции, величина которого пропорциональна содержанию контролируемого компонента. Этот метод применим для определения всех газов, легко вступающих в реакции, которые протекают количественно и с большим тепловым эффектом.

3. магнитные

Анализ газовых смесей на магнитных газоанализаторах основан на различиях в парамагнитных свойствах газов. На практике анализаторы этого типа используются для определения О₂, обладающего достаточно высоким парамагнетизмом, в воздухе, в смесей непредельных углеводородов, в промышленных газах, содержащих СО, СО₂, СН₄, Н₂ и N₂, в отходящих газах цементных печей и топочных газах.

Электрические

Основан на изменении электрических свойств газа или жидкости, с которой данный газ прореагировал. В качестве показателей используют различный уровень ионизации отдельных газов под действием одного и того же компонента (ионизатора) или вольтамперные характеристики компонента в зависимости от концентрации определенного газа.

Изменение удельной проводимости – электрокондуктометрические.

Ионизационные – для определения следов углеводородов.

Электрохимические позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости раствора, поглотившего этот газ.

5. оптические

Большую группу газоанализаторов составляют приборы, в которых используется зависимость изменения оптических свойств газовой смеси (показатель преломления, оптическая плотность, спектральное поглощение или излучение и т. п.) от содержания определяемого компонента. Наибольшее распространение среди оптических газоанализаторов получили интерферометрические приборы, действие которых основано на явлении смещения интерференционных полос за счет изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух когерентных лучей.

В современной промышленности для анализа отходящих газов нашли применение газоанализаторы, принцип работы которых основан на поглощении лучистой энергии. К ним относятся инфракрасные (ИК) анализаторы, реагирующие на индивидуальный характер спектров поглощения инфракрасного излучения отдельных газов. Мерой концентрации определяемого компонента служит степень поглощения потока ИК-излучения. ИК анализаторы используют для определения СО, СО₂, СН₄, С₂Н₂ и других газообразных соединений углерода в сложных газовых смесях, в том числе в доменных колошниковых газах, отходящих газах синтеза аммиака. Пределы измерения отдельных приборов колеблются от 1 % до 100 %, средняя погрешность измерений лежит в пределах от ±2,5 до ±10 %.

Используют также приборы, в которых концентрацию компонентов определяют по поглощению колебаний в ультрафиолетовой (от 200 до 400 нм) и видимой (от 400 до 700 нм) областях. Газоанализаторы применяют для определения паров ртути в воздухе, хлора в хлоровоздушной смеси и некоторых других газообразных соединений. Пределы измерения отечественных УФ газоанализаторов изменяются от 0-0,0001 мг/л до 0,002-0,06 мг/м³, а погрешность определения колеблется от ±5 до ±10 %.

Работа фотометрических и фотоколориметрических газоанализаторов основывается на образовании специфически окрашенных продуктов при реакциях определяемых газообразных компоненте с реагентами, а интенсивность окраски продуктов служит моей концентрации реагирующих компонентов. Фотоколориметрические газоанализаторы используют для определения NO₂, CS₂, SO₂, H₂S, NH₃ и др. в воздухе и технологических газовых смесях. Пределы измерения изменяются от 0-0,005 до 0-0,001 мг/л, погрешность определения составляет ±10 %.

6. хроматографические

Принцип действия хроматографических газоанализаторов основан на различной способности отдельных газовых компонентов сорбироваться твердыми или жидкими сорбентами. Проба анализируемой газовой смеси вводится в поток газоносителя, непрерывно протекающий через сорбент и инертного по отношению и к определяемому газу, и к сорбенту. За счет многократной сорбции и десорбции каждый компонент пробы перемещается вдоль слоя сорбента с характерной для него скоростью и удаляется со слоя сорбента в определенной последовательности. Последовательность выхода компонентов смеси из хроматографической колонки позволяет их качественно идентифицировать, а поставленный на выходе детектор определить их количество.