Методы контроля состояния воздуха и газовых потоков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования

Российский государственный социальный университет

Факультет охраны труда и окружающей среды

Выполнил: Орлова М.В.

Проверил: ст. преподаватель Крячко Т.А.

Введение

1. Методы оценки загрязнения газовых потоков

2. Методы контроля состояния воздуха

Список литературы

Введение

загрязнение среда метод оценка

Количественная оценка промышленно-транспортных воздействий на окружающую среду необходима для:

- определения значимости отдельных факторов и выявления соответствующих закономерностей;

- разработки эффективных механизмов управления природоохранной деятельностью и рациональным использованием природных ресурсов в промышленности и на транспорте.

Она осуществляется в результате мониторинга промышленно-транспортных объектов и окружающей среды, т.е. слежения за промышленно-транспортными объектами как источниками загрязнений и изменением состояния окружающей природной среды, а также предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов.

Особенности мониторинга объектов промышленности и транспорта, диктующие требования к измерительным приборам, оборудованию, программным средствам и расчетным методикам, связаны с:

- множественностью подвижных источников загрязнения переменной интенсивности выбросов во времени и в пространстве;

- распределенностью источников загрязнений на значительной площади территории;

-наличием большого числа параметров, которые необходимо измерять регулярно или непрерывно с высокой степенью достоверности.

В связи с этим возникают особые требования к конструкции приборов, использованию специальных методов измерений и оценки экологически значимых показателей транспортных средств, материалов, технико-эксплуатационного состояния инженерных сооружений, параметров состояния окружающей среды. Речь идет о создании комплексной системы мониторинга на основе аэрокосмического зондирования и наземного оперативного сопровождения с использованием стационарных и передвижных постов наблюдений.

Обязательным условием успешной работы такой системы является широкое использование специальных программных средств и математических методов обработки, анализа массивов текущей информации о промышленно-транспортных объектах и изменении состояния окружающей среды, восстановления информации о харак-теристиках транспортных потоков, уровнях загрязнения воздуха, воды, почвы, растительности на значительной площади территории (до 1000 км2), используя в качестве исходных данных результаты измерений этих параметров в отдельных точках пространства. Эти методы и средства необходимы для визуализации и представления результатов мониторинга в форме, удобной для принятия эффективных управляющих решений.

1. Методы оценки загрязнения газовых потоков

Для определения концентраций вредных примесей в атмосферном воздухе вблизи автомагистралей и в отработавших газах двигателей используются разные методы оценки, когда анализируются индивидуальные пробы газа, взятые дискретно и при непрерывных измерениях.

Основные требования к отбору проб газа и его анализу следующие:

- все части системы отбора должны быть инертны по отношению к исследуемому компоненту;

- температура системы отбора проб должна поддерживаться на уровне, исключающем конденсацию паров или взаимодействие ком-понентов исследуемой газовой смеси друг с другом;

- объем пробы должен быть точно измеренным и достаточным для обеспечения требуемой точности измерений.

Автоматические приборы непрерывного действия используются для оперативного контроля уровня загрязнения атмосферного воз-духа вблизи интенсивных источников выбросов (объектов энергетики, автомагистралей, химических производств и др.). Для определения токсичности автомобилей (двигателей) используют приборы анализа индивидуальных проб на определенном режиме работы двигателя или при испытаниях по ездовым циклам, а также приборы непрерывного действия.

В газоаналитической аппаратуре реализуются следующие методы измерений:

1. Непосредственное измерение показателя, характеризующего вредное вещество, без изменения химического состава пробы газа.

Используются приборы, построенные на принципах избирательной абсорбции света в инфракрасной, ультрафиолетовой и видимой частях спектра, парамагнетизма, изменения плотности, теплопроводности, показателя преломления света.

2. Вредное вещество, подлежащее измерению, переводится путем химических реакций в состояние, обладающее свойствами, доступными автоматическому измерению. Используются приборы фотометрического, гальванометрического, потенциометрического, термохимического принципов действия.

В конструкциях наиболее распространенных анализаторов различных газов используются разнообразные методы.

Методы анализа загрязнения воздуха

- Абсорбционный метод спектрального анализа (инфракрасная и ультрафиолетовая области спектра)

- Пламенно-ионизационный

- Хемилюминесцентный

- Флуоресцентный, пламенно-фотометрический

- Радиометрический, гравиметрический

- Электрохимический

Абсорбционный метод спектрального анализа газов основан на свойстве веществ избирательно поглощать часть проходящего через них электромагнитного излучения. Специфичность спектра поглощения позволяет качественно определять состав газовых смесей, а его интенсивность связана с количеством поглощающего энергию вещества. Каждому газу присуща своя область длин волн поглощения. Это обусловливает возможность избирательного анализа газов.

Сущность метода заключается в следующем: если поочередно (путем обтюрации) пропускать поток монохроматического инфракрасного излучения, образованный после прохождения им интерференционного фильтра, через кювету с используемой газовой смесью и без нее, то на приемнике ИК-излучения будет регистрироваться переменный сигнал, который несет информацию о количестве ИК-энергии, поглощенной анализируемым газом с частотой обтюрации и, следовательно, о концентрации анализируемого газа. Анализаторами этого типа производится в частности оценка кон-центрации СО в атмосферном воздухе.

Недисперсионные оптико-акустические (инфракрасные) газоанализаторы широко применяются при контроле содержания СО, пропана СзH8, гексана С6H14 в отработавших газах бензиновых двигателей при работе на холостом ходу и под нагрузкой. Разработаны и комбинированные приборы для одновременного определения содержания суммарных углеводородов, СО в отработавших газах и частоты вращения коленчатого вала в двигателях автомобилей и мотоциклов.

В энергетике используются газоанализаторы, в которых для оценки концентраций газовых примесей вместо инфракрасных излучателей используются ультрафиолетовые.

Здесь концентрации примесей также определяются по спектру поглощения. При прохождении светового луча через газовую среду часть его энергии поглощается или рассеивается. Молекула определенного вещества (SO2, NO, NO3, NH3) поглощает энергию в своем специфическом диапазоне длин волн. Измерение концентраций в ав-томатическом режиме рассматриваемых веществ происходит одновременно без сложной процедуры сканирования спектра.

Электрохимический метод газового анализа основан на использовании химических сенсорных датчиков, состоящих из двух чувствительных элементов и определенного химического покрытия, которое непосредственно контактирует с анализируемой средой и на котором происходит адсорбция анализируемого вещества. В зависимости от того, какие физические свойства, зависящие от количества адсорбированного вещества, измеряются, датчики делятся на потенциометрические, кулонометрические, полярографические и др.

Электрохимические газоанализаторы отличаются сравнительной простотой, низкой чувствительностью к механическим воздействиям, малыми габаритами и массой, незначительным энергопотреблением.

Пламенно-ионизационные газоанализаторы используются для измерения суммарной концентрации углеводородов различных классов, контроль которых избирательными методами анализа весьма сложен. Они обеспечивают надежное измерение в диапазоне концентраций 10--10 000 млн-1, отличаются высокой чувствительностью (до 0,001 млн1) и малой инерционностью. Позволяют раздельно определять содержание метана и реакционноспособных углеводородов, образующих в атмосфере фотохимический смог.

Метод основан на ионизации углеводородов в водородном пламени. В чистом водородном пламени содержание ионов незначительно. При введении углеводородов в пламя количество образующихся ионов значительно возрастает и под действием приложенного электрического поля между коллектором и горелкой возникает ионизационный ток, пропорциональный содержанию углеводородов. Некоторые из газоанализаторов данного типа имеют встроенный генератор водорода, что позволяет отказаться от внешних источников этого газа - газогенераторов или баллонов с водородом.

Хемилюминесцентный метод газового анализа применяется для измерения концентраций NO_x, О₃ и основан на реакции этих компонентов, подающихся одновременно в реакционную камеру, которая имеет вид:

NO+O₃> NO₂ (NO₂')+O₂

Возбужденная молекула NO₂' (образуется 5--10% от общего ко-личества молекул NO₂) отдает избыток энергии в виде излучения (в диапазоне волн длиной 600--2400 нм, с максимумом при 1200 нм)

NO₂' > hv+NO₂

Интенсивность излучения, измеряемого фотоумножителем, пропорциональна концентрации оксидов азота. Озон получают в генераторах в результате воздействия тлеющего разряда или ультрафиолетового излучения на кислородсодержащую смесь (воздух).

Для определения концентрации О_з в атмосфере используют реакцию озона с органическим красителем на поверхности активированного вещества, при которой также наблюдается хемилюминесценция.

Кроме того, используют в качестве газа-реагента этилен высокой степени очистки. Под действием ультрафиолетового излучения озон вступает в реакцию с этиленом, которая сопровождается люминесцентным излучением в области длин волн 330--650 нм. Газоанализаторы этого типа отличаются высокой чувствительностью и селективностью, а при наличии встроенного озонатора, высоким уровнем автоматизации и длительным сроком автономной работы без обслуживания.

Метод ультрафиолетовой флуоресценции используется в приборах для контроля SO₂ и H₂S. Явление флуоресценции заключается в способности определенных веществ излучать свет под воздействием излучения источника возбуждения.

Для молекул SO₂ это облучение пробы газа светом в области длин волн 200--500 нм (максимум при 350 нм), когда эти молекулы переходят из возбужденного состояния в нормальное, разряжаясь частично через флуоресценцию.

Интенсивность излучения, пропорциональная содержанию SO₂, регистрируется фотоумножителем. Включение в состав прибора конвертора, обеспечивающего каталитическое окисление сероводо-рода до диоксида серы, позволяет создать аппаратуру для одновременного контроля в газовой смеси этих веществ.

Преимущество указанного метода по сравнению с методом пламенной фотометрии в отсутствии вспомогательных газов.

Гравиметрический (весовой) метод - традиционный метод определения концентрации твердых частиц в газовых смесях, связанный с отбором пробы, пропусканием ее через фильтр, взвешиванием фильтра или определением его степени черноты по эталону. Этот метод реализован в дымомерах, которые используются для определения дымности отработавших газов дизелей.

Необходимость непрерывного контроля содержания твердых частиц в отработавших газах двигателей или атмосферном воздухе привела к широкому распространению оптических, радиоизотопных методов анализа. Оптический метод анализа основан на измерении ослабления излучения твердыми частицами при пр-хождении луча света через измерительный канал определенной длины.

Метод используется для качественной оценки содержания частиц на выходе из двигателей, горелочных устройств, очи-стных сооружений (в единицах оптической плотности газового потока при просвечивании его заданной толщины с замером на фотоэлементе степени погло-щения света).

Например, автомобильный дымомер типа «Хартридж» имеет шкалу, разделенную на 100 единиц. За единицу принята степень ослабления интенсивности светового потока на 1%. Но количественное определение содержания частиц этим методом неэффективно, так как на измерение существенное влияние оказывают цветность и дисперсность частиц. Поэтому погрешность оценки концентраций может достигать десятки процентов.

Широкое распространение получил радиоизотопный метод, лишенный этого недостатка и основанный на ослаблении визлучения частицами. Концентрация твердых частиц (пыли) вычисляется по результатам измерений на фильтре (лента из стекловолокна) до и после нанесения пробы. Лента транспортируется в детекторный блок, где расположен радиоизотопный источник, и производится замер.

Хроматографический метод широко распространен и основан на использовании свойства разделения сложных смесей на хроматографической колонке, заполненной сорбентом.

Проба газа вводится в поток соответствующего газа-носителя простейшей форсункой и вместе с ним пропускается через колонки с твердыми адсорбирующими поверхностями (адсорбционная газо-вая хроматография), или с нанесенными на твердые поверхности нелетучими жидкостями (газожидкостная хроматография). Отдельные компоненты смеси с различными скоростями перемещаются в колонке, выходят из нее раздельными фракциями и регистрируются.

Газ-носитель, транспортирующий молекулы исследуемой газовой смеси, протекает с постоянной скоростью. Колонки, по которым проходит газ, калибруются для того, чтобы установить время прохождения того или иного компонента. Соответствующий детектор используется для обнаружения или определения количества того или иного компонента смеси. Количественная оценка осуществляется по интенсивности сигнала детектора или с помощью электронных интеграторов. Этим методом могут регистрироваться химически однородные вещества (индивидуальные углеводороды) со слабо выраженной качественной реакцией (N2O, СО), которые идентифицируются по специфичному времени удерживания.

Важнейшая часть газового хроматографа - детектор. В приборах, предназначенных для измерений загрязнения атмосферного воздуха, получили распространение следующие виды этих датчиков:

- пламенно-ионизационный детектор, который реагирует практически на все органические соединения, включая бензол, толуол, ксилол, фенол, формальдегид;

- электронно-захватный детектор -- чувствителен к хлорсодержащим веществам;

- фотоионизационный детектор используется для контроля органических соединений и неорганических веществ (NH₃, H₂S, РН_з);

- детектор по теплопроводности используется для контроля продуктов горения (СО, СО₂, H₂, SO₂).

В связи с внедрением современных средств электроники и миниатюризацией аналитической части хроматографов созданы портативные (переносные) приборы для осуществления газового анализа в полевых условиях (передвижные лаборатории на транспортных средствах). Наибольший интерес представляют переносные газовые хроматографы, запрограммированные для идентификации определенных компонентов газовой смеси. Результаты выражаются непосредственно в концентрации контролируемого вещества.

Лидарная система контроля загрязнения реализует лазерно-локационный метод - комбинационное рассеяние и дифференциальное поглощение загрязняющих веществ с использованием источника лазерного излучения и предназначена для дистанционного зондирования качества атмосферы. Состоит из лидара кругового обзора, который устанавливается в промышленных зонах или вблизи автомагистралей на доминирующих строениях, и предназначен для непрерывного контроля выбросов аэрозолей, NOx, SO2 на территории радиусом 7-15 км и измерения азимута и расстояния до источника загрязнения. Лидар второго типа на базе автомобиля - комбинационного рассеяния используется для многокомпонентного анализа концентрации примесей в воздухе.

2. Методы контроля состояния воздуха

Для контроля концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны (рабочих мест) используют экспресс-методы; лабораторные методы; методы непрерывного контроля.

Экспресс-метод нашел наиболее широкое применение и позволяет быстро и с достаточной точностью определять концентрацию вредных веществ, непосредственно, на рабочем месте. Суть его заключается в протягивании определенного объема воздуха через контрольные трубки с индикаторным порошком, который реагирует изменением цвета на содержание вредных веществ в воздухе. К приборам экспресс-метода относятся газоанализаторы: УГ-2; ГХ-100; ГХ-4 и др.

Лабораторный метод является более точным, но требует отбора проб воздуха в рабочей зоне с последующим анализом его состава в лабораторных условиях в течение ближайшего времени. К таким методам относятся: хроматорафический, фотокалорометрический и др.

Метод непрерывного автоматического контроля применяется на рабочих местах с постоянным воздействием вредных веществ, которые могут вызвать серьезные нарушения в состоянии здоровья людей или привести к авариям за счет возникновения взрывоопасности и пожароопасности. Контроль проводится автоматизированными системами с записью изменений вредностей в воздухе во времени с применением газоанализаторов: Сирена-2 для аммиака, Фотон для сероводорода, ФКГ-3М для хлора и др.

Контроль запыленности воздуха в рабочей зоне производится следующими методами: весовой, счетный, фотоэлектрический, ультразвуковой и т.д. В нашей стране наиболее широко применяется весовой аспирационный метод контроля. Суть его заключатся в протягивании определенного объема загрязненного воздуха за определенное время через специальный фильтр. Зная вес фильтра до и после протягивания воздуха и объем протянутого воздуха, вычисляется загрязненность воздуха.

Фотоэлектрический метод основан на изменении светового потока, проходящего через слой исследуемого воздуха, падающего на фотоэлемент. Изменение в фотоэлементе тока, возбуждаемого световым потоком, фиксируется гальванометром, отградуированном в мг пыли, отнесенных к 1л воздуха.

При определении концентрации вредных веществ в воздухе результаты должны приводится к нормальным условиям: температура 20⁰С, атмосферное давление 760 мм ртутного столба, относительная влажность 50%.

Для анализа проб воздуха строителям при ведении работ в колодцах, емкостях, отделочных работах очень удобен газоанализатор ГХ-100. Этот компактный прибор прост в конструктивном решении, в применении не требует особых условий его хранения. В приложении 10, СНиП 111-4-80^* приведен перечень приборов для определения содержания газов в воздухе строительного производства.

Пары и газы могут быть причинами крупных аварий и взрывов. Основную опасность представляет взрыв горючих газов, скопившихся в изолированном пространстве. Горение в смесях горючих газов или паров с воздухом способно распространяться в определенных соотношениях, называемых концентрационными пределами воспламенения (взрыва).

Минимальную и максимальную концентрацию газов и паров в воздухе, способных воспламеняться, называют нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения (взрыва). Физический смысл нижнего концентрационного предела заключается в том, что если в воздухе, при появлении источника воспламенения, концентрация паров и газов достаточна для химического процесса, то происходит его развитие и, как следствие, взрыв при горении. При более низких концентрациях горючих газов не хватает вещества или веществ для поддержания процесса горения и взрыв не происходит. При больших концентрациях больше верхнего концентрационного предела процесс горения (взрыва) не происходит т.к. не хватает кислорода на развитие процесса.

Если на рабочем месте в помещении содержание газов в воздухе ниже нижнего предела, то при участии пыли, повышении температуры или мощности источника этот предел может снижаться. А при больших концентрациях, выше верхнего предела воспламенения, при выходе из замкнутого объема, и обогащении кислородом - способны гореть.

Концентрации, которые находятся между верхним и нижним концентрационными пределами, называются взрывоопасными. Концентрационные пределы воспламенения определяются в лабораторных условиях.

Производственные процессы должны осуществляться так, чтобы вероятность возникновения взрыва на любом участке работ не превышала 10.

Для того, чтобы рассчитать верхние (ВПК) и нижние пределы (НПК) воспламенения смесей газов и паров воздуха, необходимо определить какие газы и пары входят в состав атмосферы цеха, участка. Если результаты показывают, что концентрация горючих газов и паров лежит между верхним и нижним пределом, то такие концентрации считаются взрывоопасными или выше санитарных норм (ПДК), то необходимо немедленно принимать меры профилактики.

Список литературы

1. Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, Ю.В. Трофименко; Под ред. В.Н. Луканина. - М.: Высш. Шк., 2003

2. Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Общий курс. В 2-х т. / Под ред. И.И. Мазура. - М.: Высшая школа, 1996.

3.Хромов С.П., Петросянц М.А. «Метеорология и климатология» г.Москва 2001г.

4. «Очистка воздуха». Учебное пособие Е.А. Штокман - Изд.60 АСВ,2008г.

5. «Техника защиты окружающей среды» Родионов А.И. Клушин В.П., Торочешников И.С. Учебник для вузов. г. Москва Химия,2001г.

Размещено на Allbest.ru