Відбір проб атмосферного повітря

Особливості аналітичного контролю атмосферного повітря

План

АНАЛІТИЧНИЙ КОНТРОЛЬ АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ

6.1 Особливості аналітичного контролю атмосферного повітря.

6.2 Відбір проб атмосферного повітря.

6.3 Підготовка проб повітря до аналізу.

У повітряному басейні перебуває багато неорганічних та органічних сполук антропогенного та природного походження в газуватому і паруватому стані та у вигляді рідких та твердих аерозолей. Порівняно з вмістом у природних водах концентрації хімічних сполук, що забруднюють повітря, значно менші і складають, за винятком основних компонентів – кисню, азоту, аргону, двооксиду вуглецю та парів води, - величини на рівні мг/м³ та мкг/м³. Через те визначення мікродомішок токсичних речовин у повітрі потребує, як правило, їх попереднього концентрування, яке в основному проводять в процесі відбору проб для аналізу. Визначення основних компонентів атмосферного повітря, як правило, не проводиться тому що їх концентрація над поверхнею землі є практично сталою. Тому лише у випадках замкнутого простору, наприклад у приміщеннях підводних човнів у зануреному стані або в атмосфері виробничих цехів, виникає потреба визначення кисню, двооксиду вуглецю, та парів води.

Визначити всі речовини-забруднювачі в атмосферному повітрі або у повітрі виробничих приміщень практично неможливо. У зв'яз­ку з цим у кожному конкретному випадку необхідно виявити головні забруднювачі, виходячи з характеру і кількості промислових та інших викидів в атмосферу та ступеня їх токсичності. Слід також мати на увазі, що багато хімічних речовин у повітрі взаємодіють між собою з утворенням нових сполук які безпосередньо в атмосферу не потрап­ляли. Наприклад, двооксид сірки, який є постійним компонентом викидів теплових електростанцій, при взаємодії з киснем повітря та парами води утворює аерозоль сірчаної кислоти. Двооксид азоту при контакті з парами води утворює азотну та азотисту кислоти. Твердий аерозоль хлориду амонію утворюється при взаємодії газуватого аміаку з хлороводнем тощо. Утворення нових сполук внаслідок хімічних, а також фотохімічних процесів може заважати концентруванню та визначенню окремих інгредієнтів у повітрі, що сліді враховувати при відборі проби повітря та її підготовці для аналізу.

Концентрація токсичних речовин в атмосферному повітрі зале­жить не тільки від характеру джерел забруднених, але також від метеорологічних умов та топографічних факторів. При визначенні місць відбору проб повітря найбільш суттєвими факторами, які слід враховувати, є промислові викиди газів та аерозолів через димоходи та потужні вентиляційні системи, а також вихлопні гази автомобілів, напрямок та швидкість руху («роза забруднення», «роза задимлення»). Треба враховувати температурну інверсію, барометричний тиск, вологість повітря, рельєф місцевості та відстань від джерела забруднення та його висоту. Наприклад, температурна інверсія, при якій температура верхніх шарів повітря вища за температуру більш низьких шарів, сприяє утворенню туману, який утруднює розсіювання і розбавлення промислових викидів і вихлопних газів автомобілів і вони ніби «притискуються» до землі. При цьому утворюється так званий смог, характерний для багатьох промислових центрів у безвітряну погоду.

Для ефективного санітарно-хімічного контролю за станом атмосферного повітря проби для аналізу необхідно відбирати в зонах найбільш інтенсивного забруднення. Це ж стосується відбору проб повітря в цехах промислових підприємств та в інших частково чи повністю замкнутих зонах.

На відміну від природних вод за переміщенням та змішуванням повітряних мас з різним хімічним складом стежити важко, а часто навіть не можливо. Через те під час аналізу повітря рекомендується у будь якій точці відбирати не менше 3 проб, визначити середнє арифметичне значення вмісту досліджуваного компонента і провести статистичну оцінку достовірності одержаного результату. Якщо середній результат виявиться статистично недостовірним, то треба відібрати додаткові проби для аналізу.

Спосіб відбору проб залежить від форм перебування токсичних домішок у повітрі. Так, деякі мікродомішки можуть бути у повітрі у газуватому стані, наприклад, оксид вуглецю, озон, аміак тощо, а інші – у вигляді парів (ароматичні та аліфатичні вуглеводні, спирти, органічні кислоти, йод, нафталін, фенол тощо) або у формі рідких та твердих аерозолів (сірчана кислота, оксиди металів, солі тощо). У деяких випадках один і той же інгредієнт перебуває в повітрі в різних формах. Наприклад, такі сполуки як дибутилфталат, капролактам та інші з високими температурами кипіння можуть одночасно утворювати пару та рідкий аерозоль, залежно від їхнього вмісту в повітрі, леткості та температури повітря.

Виявлення агрегатного стану визначуваного компонента в повітрі необхідне для правильного вибору сорбентів та фільтрів, які використовують для уловлювання та концентрування мікродомішок. Попередню оцінку агрегатного стану токсичних речовин можна зробити на підставі їхньої леткості, тобто максимальної концентрації парів при даній температурі.

Леткість L, мг/м³, визначають за формулою

(6.1)

де Р - тиск насиченої пари речовини, мм рт.ст., при температурі t °С;

М - молекулярна маса речовини.

У довідковій літературі часто відсутні дані про тиск насиченої пари речовини при різних температурах. У таких випадках значення Р, мм рт. ст., при температурі t для речовини з температурою кипіння t_кип можна обчислити за наближеною формулою

.

Таким чином, знаючи температуру кипіння речовини можна визначити тиск її насиченої пари при будь якій температурі повітря та її леткість при цій же температурі. Розрахунок леткості за емпіричною формулою (6.1) дає похибку до (30-40) %.

Вміст токсичних речовин у повітрі визначається з урахуванням їх гранично допустимих концентрацій (ГДК) і через те при виборі способу відбору проби для аналізу слід брати до уваги не тільки леткість токсичної речовини, але також її ГДК. У зв’язку з цим при санітарно-хімічному контролі агрегатний стан токсичних домішок у повітрі оцінюють через відношення леткості токсиканту при 20^оС (L₂₀, мг/м³) до його ГДК (мг/м³) або величиною відносної леткості L₂₀/ГДК. Якщо відносна леткість речовини при 20^оС нижча за ГДК у 10 і більше разів, то наявністю її парів у повітрі можна нехтувати і визначати вміст токсиканту тільки в аерозолях. Навпаки, якщо відносна леткість L₂₀/ГДК перевищую гранично допустиму концентрацію у 50 і більше разів, то в повітрі визначають лише вміст парів токсиканту. При інших співвідношеннях L₂₀/ГДК необхідно визначати сумарний вміст токсиканту в парі та в аерозолях.

Таким чином, попередній розрахунок величини відносної леткості визначуваного токсиканта та її порівняння з ГДК дають змогу вибрати оптимальний спосіб відбору проби повітря для аналізу з врахуванням агрегатного стану токсиканта.

ІІри аналізі повітря проби відбирають переважно аспіраційним способом, пропускаючи повітря через поглинальну систему - рідкі поглиначі, тверді сорбенти або фільтруючі матеріали. Мінімальна концентрація токсиканта, яку можна визначити, залежить від чутливості вибраного методу аналізу та об'єму повітря, який відбирається для аналізу. Аспірація зайвого об'єму призводить до неви­правданих втрат робочого часу, а недостатній об'єм проби може призвести до неможливості виконання аналізу.

При аспірації повітря через рідкий поглинач визначувані речовини концентруються в певному об'ємі розчину. При аспірації через твердий сорбент або фільтр сорбовані токсиканти десорбують або розчиняють фільтр і також одержують певний об'єм аналітичного концентрату. Для аналізу можна використати весь одержаний розчин або відібрати з нього аліквоту. Оптимальний об'єм повітря, м³, для аналізу визначають за формулою

,

де а – нижня межа визначення токсиканта, мг;

ν_о – загальний об’єм поглинального розчину після десорбції чи розчинення фільтра, мл;

ν_п – об’єм аліквоти взятої для аналізу, мл;

С – гранично допустима концентрація визначуваного токсиканта, мг/м³;

К – коефіцієнт який відповідає часткам ГДК (1/4, 1/2, 1 ГДК і т.д.). В багатьох методичних вказівках для визначення токсичних речовин у повітрі наведені об’єми повітря, необхідні для визначення 1/2 ГДК.

Об’єм повітря, відібраний для аналізу, приводять до нормальних умов (0^оС, 101080 Па) за формулою

,

де νⁿ – об’єм приведений до нормальних умов;

ν – об’єм відібраного для аналізу повітря;

р – атмосферний тиск при відборі проби повітря, Па;

t – температура повітря в місці відбору проби, ^оС.

Відбір проб повітря у рідкі поглиначі є найбільш простим і ефективним способом для аналізу парогазуватих речовин. При цьому визначувані компоненти розчиняються або вступають в хімічну взаємодію з реагентами, які містяться у поглинальному середовищі (хемосорбція). Правильний вибір поглинального середовища дозволяє також вибірково визначати речовини в їх суміші. Наприклад, при аналізі повітря на вміст СО₂ та СО можна селективно хемосорбувати СО₂ розчином лугу.

Відбір проб у розчини виконують шляхом аспірації повітря через поглинальний посуд (абсорбер), який заповнений певним розчинником – водою, кислотою, лугом, спиртом тощо, залежно від фізичних та хімічних властивостей визначуваних компонентів. Швидкість пропускання повітря через абсорбер може змінюватися у широких межах – від 0,1 до 100 л/хв., щоб забезпечити повне поглинання визначуваних речовин.

При фізичній абсорбції, коли визначувані газуваті або паруваті речовини розчиняються у поглинальному середовищі, не вступаючи з ним у хімічну взаємодію, важливо забезпечити максимальну поверхню контакту двох фаз - газуватої (паруватої) та рідкої. Це досягається спеціальною конструкцією абсорберів, у яких повітря пропускається через пористі фільтри, внаслідок чого збільшується поверхня контакту повітря з рідиною.

Більш ефективним є поглинання, яке ґрунтується на хемосорбції. Наприклад, для поглинання аміаку та амінів використовують розведену сірчану кислоту, а для поглинання фенолів – розчин лугу або гідрокарбонату натрію тощо. Однак у всіх випадках повноту абсорбції потрібно контролювати, пропускаючи пробу повітря через два або більше абсорберів і визначаючи в кожному з них досліджуваний компонент.

Рідкі поглинальні середовища малоефективні або взагалі є непридатними при аналізі повітря, в якому визначувані речовини перебувають у вигляді твердих аерозолів. Вони малоефективні також при необхідності відбору великого об’єму повітря внаслідок звітрювання розчину і пов’язаних з цим втрат визначуваних речовин.

За допомогою різних адсорбентів поглинають компоненти, які містяться в повітрі в газуватому або паруватому стані, а також у вигляді рідких аєрозолей. Конструкція трубок, заповнених твердими адсорбентами, а також апаратура для відбору проб повітря в ці трубки описані в спеціальній технічній літературі.

Відбір проб повітря на фільтри використовується в основному при аналізі твердих аерозолів. Деякі марки таких фільтрів затримують лише аерозолі і пропускають через себе паруваті речовини, тобто можуть бути використані для доказу наявності або відсутності у повітрі парів токсичних речовин. Для селективного вловлювання органічних сполук з різною молекулярною масою використовують спеціальні мембранні фільтри з різними розмірами пор.

При відборі проб повітря для аналізу слід звернути увагу на найбільш суттєві джерела похибок, які в подальшому аналізі неможливо виправити. Так, якщо вміст газопаруватих токсичних речовин у повітрі значний і є можливість їх визначити методом газової хроматографії без концентрування, тоді проби для аналізу відбирають за допомогою скляних шприців, газових камер тощо. При цьому можливі значні втрати визначуваних компонентів у наслідок порушення герметичності пробовідбірних пристроїв та сорбції мікрокомпонентів на внутрішній поверхні ємності, в якій міститься проба. В таких випадках, похибка при відборі повітря може бути зменшена промиванням пробовідбірної ємності досліджуваним повітрям до встановлення рівноваги у розподілі визначуваного компонента між повітрям та поверхнею сорбції.

Повнота поглинання визначуваних компонентів залежить від швидкості та тривалості аспірації через рідкі або тверді сорбенти. При швидкості аспірації, яка перевищує швидкість сорбції, можлива втрата певної частки визначуваного компонента, який не встиг сорбуватись. Якщо ж через сорбент пропускати, хоча й повільно, велику кількість повітря протягом тривалого часу, то може не вистачити ємності сорбента, що теж призведе до часткової втрати визначуваних компонентів. Тому проби повітря відбирають через декілька послідовно з’єднаних між собою абсорберів або сорбційних трубок і контролюють в них вміст визначуваних компонентів.

Вплив сторонніх домішок, особливо парів води та окисників і відновників на властивості сорбента або визначуваної речовини. Наприклад, полярний характер поверхні силікагелю не дає можливості використати цей сорбент для відбору проб повітря під час дощу через те що сорбована вода може заважати уловлюванню компонентів, які потрібно визначити.

Щоб запобігти цим та іншим помилкам, при відборі проб повітря слід ретельно дотримуватись правил які наведені у відповідній методиці аналізу.

6.3 Підготовка проб повітря до аналізу

При безпосередньому газохроматографічному аналізі підготовка проби повітря для аналізу полягає в тому, що при наявності твердих аерозолів їх відокремлюють за допомогою фільтрів, на яких парогазуваті речовини не затримуються. При відсутності в повітрі твердих аерозолів пробу без фільтрування вносять безпосередньо у камеру-випарник газового хроматографа.

При сорбції або хемосорбції у рідкі поглинальні середовища одержують розчин, в якому сконцентровано визначувані речовини. При необхідності проводять подальше концентрування мікро домішок або усунення речовин, які заважають аналізу.

Після аспірації повітря через тверді адсорбенти поглинуті речовини треба десорбувати. Для цього застосовують термодесорбцію або екстракцію.

Спосіб термодесорбції полягає в тому що через нагріту до певної температури концентраційну трубку, яка містить у фазі сорбенту визначувані речовини пропускають інертний газ – гелій, аргон або азот. Після цього одержану газувату суміш вводять у газовий хроматограф. Термодесорбцію проводять головним чином при визначенні органічних сполук, сорбованих на хроматографічних сорбентах.

Екстракційне вилучення сорбованих у концентраційних трубках речовин полягає в їх розчиненні (десорбції) різними розчинниками – гексаном, хлорбензолом, бензолом, діетиловим ефіром, етанолом, сірковуглецем тощо. Вибір екстрагента залежить від полярності сорбенту та сорбованих на ньому речовин. При цьому полярні сполуки краще десорбуються полярними екстрагентами, а неполярні – неполярними або мало полярними. Наприклад, з неполярного активованого вугілля сірковуглецем екстрагують аліфатичні та ароматичні вуглеводні, а сумішшю діетилового ефіру з ізопропанолом десорбують спирти, кетони та хлоровуглеводні. З полярного сорбенту типу силікагелю екстрагують метанолом, етанолом, діетиловим ефіром або водою полярні сполуки – спирти, аміни, хлорфенол, хлорбензол тощо. Екстракти органічних сполук аналізують газохроматографічним методом.

Екстракційне вилучення адсорбованих речовин можна виконати в статичних або динамічних умовах. Статичну екстракцію проводять в закритому посуді шляхом збовтування сорбенту з екстрагентом. Повнота екстракції залежить від природи сорбенту, хімічної природи сорбованих речовин та екстрагента і від тривалості екстракції. Статична десорбція у закритому посуді запропонована для вилучення речовин з низькою температурою кипіння з метою запобігання їх вивітрюванню.

Динамічну екстракцію (десорбцію) проводять безпосередньо у трубці, через яку проводили аспірацію повітря. Для цього до кінчика трубки, протилежного до входу повітря, приєднують ділильну лінійку, в якій міститься екстрагент. Нижній кінець трубки закривають тампоном із скловати. Десорбцію проводять 4-5 разів такими об’ємами екстрагента, маса яких втричі перевищує масу сорбенту в трубці. Екстракти збирають окремо в мірні циліндри і в кожному з них визначають концентрацію де сорбованих компонентів. Повнота вилучення залежить від тривалості контакту екстрагента з сорбентом, тобто від швидкості промивки сорбенту та загального об’єму екстрагента.

Питання для самопідготовки

1. У чому полягають особливості аналітичного контролю атмосферного повітря?

2. З яких етапів складається аналітичний контроль атмосферного повітря?

3. Які методи використовуються для відбору проб повітря?

4. Які характеристики враховують при санітарно–хімічному контролі токсичних домішок а повітрі?

5. Як визначається необхідний для аналізу об’єм атмосферного повітря?

6.Які методи десорбції використовують при підготовці проб повітря для аналізу?

Література

[2], [12], [13], [14], [17].

Дата добавления: 2014-01-11