Методы анализа загрязнения воздуха

Методы оценки количества вредных веществ в отработавших газах ДВС и в воздухе вблизи автомагистралей

Для определения концентраций вредных примесей в атмосферном воздухе вблизи автомагистралей и в отработавших газах двигателей используются разные методы оценки, когда анализирую 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 ровне, исключающем конденсацию паров или взаимодействие компонентов исследуемой газовой смеси друг с другом;

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

Автоматические приборы непрерывного действия использую ля оперативного контроля уровня загрязнения атмосферного воздуха 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, переводятся путем химическихреакций 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 (табл. 6).

Таблица 6

Метод анализа	Вещество
Адсорбционный метод спектрального анализа (инфракрасная и ультрафиолетовая области спектра) Пламенно-ионизационный Хемилюминесцентный Флуоресцентный, пламенно-фотометрический Радиометрический, гравиметрический Электрохимический	СО, О3   Углеводороды, органические вещества NO, NO2, O3 SO2, H2S Пыль СО, SO2, H2S

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 (ИК) излучения, образованный после прохождения им интерференционного фильтра, через кювету с используемой газовой месью 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 концентрации СОв атмосферном воздухе.

Недисперсионные оптико-акустические (инфракрасные) газоанализаторы широко применяются при контроле содержания СО, проланаС₃Н₈, гексана С_бН₁₄ 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.

Рис. 10 - Принцип действия оптико-акустического газоанализатора фирмы SICK

В энергетике используются газоанализаторы, в которых для оценки концентраций газовых примесей вместо инфракрасных излучателей используются ультрафиолетовые (рис. 10).

Здесь концентрации примесей также определяются по спектру поглощения. При прохождении светового луча через газовую среду часть его энергии поглощается или рассеивается. Молекула определенного вещества (S0₂, N0, NО₂, NH₃) поглощает энергию в своем специфическом диапазоне длин волн. Измерение концентраций в автоматическом 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 котором происходит адсорбция анализируемого вещества. В зависимости от того, какие физические свойства, зависящие от количества адсорбированного вещества, измеряются, датчики делятся на потенциометрические, кулонометрические, полярографические др.

Электрохимические газоанализаторы отличаются сравнительной простотой, низкойчувствительностью кмеханическим воздействиям, малымигабаритами 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 млн^-1) 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.

Хемилюминесцентый метод газового анализа применяется для измерения концентраций 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 количества молекул NO₂) отдает избыток энергии в виде излучения (в диапазоне волн длиной 600—24ОО нм, с максимумом при 1200 нм).

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

Для определения концентрации О₃ 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 озонвступает в реакцию с этиленом, которая сопровождается люминисцентным излучением в области длин волн ЗЗ0—650нм. 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 О₂ и Н₂. Явление флуоресценции заключается в способности определенных веществ излучать свет под воздействием излучения источника возбуждения.

Для молекул О₂ это облучение пробы газа светом в области длин волн 200—500 нм (максимум при 350нм), когда эти молекулы переходят из возбужденного состояния в нормальное, разряжаясь частично через флуоресценцию.

Интенсивность излучения, пропорциональная содержанию О₂, регистрируется фотоумножителем. Включение в состав прибора конвертора, обеспечивающего каталитическое окисление сероводорода 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 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 воздух привела к широкому распространению оптических, радиоизотопных методов анализа. Оптический метод анализа (рис. 11) основан на измерении ослабления излучения твердыми частицами при прохождении луча света через измерительный канал определенной длины.

Рис. 11 - Принцип работы прибора для оценки концентрации твердых частиц

Метод используется для качественной оценки содержания частиц на выходе из двигателей, горелочных устройств, очистных сооружений (в единицах оптической плотности газового потока при просвечивании его заданной толщины с замером на фотоэлементе степени поглощения 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 Р-излучения 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 газовая 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 (NН₃, Н₂S, РH₃);

- детектор по теплопроводности используется для контроля продуктов горения (СО, СО₂, Н₂, SО₂).

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, S0₂ на территории радиусом 7—15 км и измерения азимута и расстояния до источника загрязнения. Лкдар второго типа на базе автомобиля — комбинационного рассеяния используется для многокомпонентного анализа концентрации примесей в воздухе.

Дата добавления: 2014-01-13