Лекція 7. Технічні засоби контролю стану повітряного середовища (2 год)

1. Параметри викидів в атмосферу

Викиди в атмосферу класифікуються:

1) за агрегатним станом шкідливих речовин у викидах на газоподібні і пароподібні (SО₂, СО, NОх, вуглеводні й ін.); рідкі (кислоти, луги, розчини солей, розчини рідких металів і солей, органічні сполуки); тверді (канцерогенні речовини, Плюмбум і його сполуки, органічний і неорганічний пил, сажа, смолисті речовини та інші);

2) за масовим викидом (т/добу) на шість груп: 1 – менше 0,01 вкл.; 2 – 0,01 до 0,1 вкл.; 3-0,1 до 1,0 вкл.; 4-1,0 до 10 вкл.; 5-10 до 100 вкл.; 6 – більше 100.

У залежності від розміру часток (мкм) рідкі викиди поділяються на підгрупи: супертонкий туман – до 0,5 вкл.; тонкодисперсний туман – 0,5-3; грубодисперсний туман – 3-10; бризки – більше 10.

Тверді викиди поділяються на 4 підгрупи (1 – до 1 вкл.; 2-1 до 10 вкл.; 3-10 до 50 вкл.; 4 – більше 50),

Джерела викидів в атмосферу поділяються на природні і антропогенні. Природні джерела бувають майданними (розподіленими) і діють порівняно короткочасно. Рівень забруднення атмосфери природними джерелами є фоновим і мало змінюється з часом.

Антропогенні (техногенні) джерела забруднення атмосферного повітря представлені, головним чином, викидами промислових підприємств і автотранспорту, відрізняються численністю і різноманіттям видів.

Джерела викидів промислових підприємств бувають стаціонарними, коли координата джерела викиду не змінюється в часі, і пересувними (нестаціонарними).

Джерела викидів в атмосферу підрозділяють на точкові, лінійні і майданні. Точкові джерела – це джерела забруднення, зосереджені в одному місці. До них відносяться димарі, вентиляційні шахти, дахові вентилятори. Лінійні джерела мають значну довжину. Це аераційні ліхтарі, ряди відкритих вікон, близько розташовані дахові вентилятори. До них можуть бути також віднесені автотраси. Майданні джерела розосереджені по площині промислової площадки підприємства. До майданних джерел відносяться місця складування виробничих і побутових відходів, автостоянки, склади пально-мастильних матеріалів.

Кожне з джерел може бути затіненим і незатіненим. Незатінені, чи високі, джерела розташовані в недеформованому потоці вітру. Це димарі й інші джерела, що викидають забруднення на висоту, що перевищує 2,5 висоти розташованих поблизу будинків і інших перешкод. Затінені джерела розташовані в зоні підпору або аеродинамічної тіні чи будинку іншої перешкоди.

Джерела викидів забруднюючих речовин в атмосферу підрозділяють на організовані і неорганізовані. З організованого джерела забруднюючі речовини надходять в атмосферу через спеціально споруджені газоходи, повітроходи і труби. Неорганізоване джерело виділення забруднюючих речовин утворюється в результаті порушення герметичності устаткування, відсутності або незадовільної роботи устаткування по видаленні пилу і газів, у місцях завантаження, вивантаження чи збереження продукту. До неорганізованих джерел відносять автостоянки, склади паливно-мастильних чи сипучих матеріалів і інші майданні джерела.

За потужністю джерела класифікуються на потужні (металургійні, хімічного виробництва, теплоелектростанцій), великі (котельні, підприємств харчової промисловості, труби пічного опалення), дрібні, велика кількість яких може привести до значного забруднення атмосферного повітря.

За температурою вихідних газів: нагріті (температура газоповітряної суміші вище 50 ⁰С), холодні (нижче 50 ⁰С). За висотою: низькі (менше 50 м), високі (вище 50 м), середні (20-50 м). Параметри джерел викидів: 1. Вид виробництва. 2. Джерело виділення забруднюючих речовин. 3. Число джерел викидів. 4. Координати розташування джерела. 5. Висота джерела викиду. 6. Діаметр устя труби. 7. Параметри газоповітряної суміші (швидкість, об'єм, температура на виході з джерела). 8. Характеристика газоочисних споруд.

2. Відбір проб повітря для визначення концентрацій забруднюючих речовин

Відбір проб ("пробовідбір") є дуже істотним етапом у технологічному циклі екоаналітичного контролю, тому що результати навіть самого точного (і дорогого) аналізу втрачають усяке значення при неправильно проведеному пробовідборі. Помилки, що виникають унаслідок неправильного відбору проб, надалі виправити, як правило, не вдається. Тому, вірогідність і точність наступного аналізу в значній мірі залежать від правильності вибору способу і старанності проведення відбору проб.

Для одержання достовірної і надійної інформації про вміст забруднюючих речовин пробовідбір повинен здійснюватися так, щоб аналізовані зразки були "репрезентативними" (представницькими) для природних об'єктів. Представницькими прийнято вважати такі проби, в яких вміст обумовлених інгредієнтів не змінюється при відборі проб, їхньому зберіганні і транспортуванні до місця аналізу.

Іншими словами, відношення матриці до аналізованих компонентів (інгредієнтів) повинне залишатися постійним як у загальній масі вихідного матеріалу, так і в узятій пробі. Хоча в реальних умовах зміна складу матриці в часі дуже імовірна, наприклад, через перемінний склад води в річці чи флуктуацій складу димових газів промислових підприємств чи автотранспорту. Біологічні процеси, що протікають в живих організмах, також обумовлюють їхній перемінний склад, що відбивається на вірогідності контролю забруднення внутрішнього середовища досліджуваних організмів.

Іноді (при дуже низьких концентраціях ЗР в середовищі) у процесі відбору проб досліджувану речовину приходиться відокремлювати від матриці з метою її концентрування. У цьому випадку навмисно не виконується загальна вимога про сталість співвідношення компонентів матриці й аналізованої речовини під час пробовідбору. Такі процедури (збагачення проби, концентрування досліджуваної ЗР і ін.) особливо корисні при відборі проб повітря, рідше – води, але не можуть бути рекомендовані для матриць складного і невідомого складу (наприклад, ґрунтів).

У таких складних умовах дуже важливий вибір адекватного способу пробовідбору, що визначається агрегатним станом аналізованих речовин і середовищ, а також іншими їхніми фізико-хімічними властивостями. Вибір способу відбору проби повинні проводити досвідчені, кваліфіковані працівники, найкраще ті, котрі несуть відповідальність за наступний аналіз і оцінку його результатів.

Умови, яких необхідно дотримуватись при пробовідборі, настільки різноманітні, що не можна дати докладних рекомендацій для усіх випадків і у відповідності з усіма вимогами.

У будь-якому випадку проба, узята для аналізу, повинна відбивати типові умови місця і часу її відбору. Відбір проби, а також наступне зберігання, транспортування, пробопідготовка й аналітична робота з нею повинні проводитися так, щоб не відбулося помітних змін у вмісті аналізованих компонентів (ЗР) чи у властивостях середовища, що її утримує (тари).

Відповідно до мети аналізу застосовують разовий або серійний пробовідбір. При разовому відборі пробу беруть один раз у визначеному місці і розглядають результат одного аналізу. Цей спосіб застосовується рідко, коли результатів одного аналізу досить для висновку про якість досліджуваного середовища (при сталості його властивостей, наприклад, в глибинних ґрунтових водах чи у випадку первинних польових оцінок). В більшості випадків, коли цього недостатньо, застосовують серійний пробовідбір проб, при якому кожна проба береться в зв'язку з іншими. При аналізі серії проб визначається зміна вмісту компонентів, що досліджуються, з урахуванням їх місця перебування, часу відбору чи обох цих факторів.

Таким чином, одержують відповідну кількість результатів, що статистично обробляють і оцінюють. Отримані дані є більш правильними в порівнянні з результатами разового відбору, а їхня точність залежить від числа проб у серії. Типовим прикладом серійного відбору проб є зональний відбір. При ньому проби, наприклад, води відбирають з різних глибин по вибраному створі водойми. Інший варіант – серійний відбір через визначені проміжки часу.

Проби підрозділяються на прості і змішані. Просту пробу одержують шляхом однократного відбору всієї необхідної кількості зразка аналізованого середовища. Аналіз простої проби дає відомості про склад середовища в даний момент в одному місці. Змішану пробу одержують, поєднуючи прості проби, узяті в тому самому місці через визначені проміжки часу чи відібрані в різних місцях обстежуваного об'єкта. Така проба повинна характеризувати середній склад середовища чи усереднений за часом чи, нарешті, "перехресний" середній склад з урахуванням як місця, так і часу, її одержують змішуванням рівних частин простих проб, узятих через рівні проміжки часу в такій кількості, щоб остаточний об'єм змішаної проби відповідав вимогам аналізу.

Середня проба тим точніше, чим менші інтервали між окремо узятими складовими її пробами. Найкращий результат усереднення можна одержати, автоматизуючи безупинний відбір проб. Змішану пробу не рекомендується відбирати за період часу, що перевищує добу, її не можна застосовувати при визначенні компонентів або характеристик середовища, що легко піддаються змінам (наприклад, для води - розчинені гази, рН і т.п.). Також змішану пробу не можна складати й у тому випадку, якщо характер середовища різко міняється в часі чи так, що окремі складові проби вступають у взаємодію чи змінюється їхній фізичний стан і т.д.

Відбір проб повітря вважається найбільш важким, так у цьому випадку дуже часто приходиться використовувати спеціальні (причому іноді дуже складної конструкції) поглинальні прилади (багато хто з них названі іменами їхніх винахідників, наприклад, Зайцева, Яворовского, Полежаєва, Ріхтера й ін.), а також різного роду технічні пристрої – збудники і вимірювачі витрати повітря для активної дозиметрії (аспірації) і ін.

Користуються наступними режимами відбору проб повітря:

1. Разовий відбір проби повітря – триває 20-30 хв.

2. Дискретний відбір – в поглинальний прилад або на фільтр в однакові проміжки часу протягом доби відбирають проби 3-8 раз.

3. Добовий відбір – відбір про повітря в поглинальний розчин або на фільтр постійно.

Пошук місця відбору проб повітря Місце для первинної оцінки чи відбору проби вибирається у відповідності з цілями аналізу і на підставі уважного вивчення всієї наявної попередньої інформації (документації), а також натурного дослідження місцевості чи контрольованого об'єкта, причому повинні враховуватися всі обставини, що могли б вплинути на склад відібраної проби або результат первинної оцінки наявності і рівня забруднення (впливу).

В операцію "пошуку джерела" або місця пробовідбору включається також задача ідентифікації характеру впливу чи забруднюючої речовини (встановлення його природи, розшифровка складу основних компонентів суміші). При відсутності технічної можливості чи необхідності в ідентифікації, вона повинна замінятися більш простою задачею виявлення, тобто підтвердження факту наявності забруднюючої речовини в середовищі.

Пошук і вибір місця відбору, а також первинної оцінки проб повітря (як і у відношенні інших середовищ) проводять у передбачуваних зонах максимального забруднення навколишнього природного середовища (наприклад, у "факелі" викиду й у зонах його можливого проходження на відстані до об'єкта від сотень метрів до декількох кілометрів, як правило, на висоті 1,5 метра від землі) чи безпосередньо поблизу перебування (скупчення) людей і інших біооб'єктів, для яких даний викид може виявитися шкідливим чи небезпечним.

У робочій зоні проби повітря варто відбирати в місцях постійного чи максимально тривалого перебування людей, при характерних виробничих умовах з урахуванням особливостей технологічного процесу (безупинний, періодичний), кількості (рівня) і фізико-хімічних властивостей, а також класу небезпеки і біологічної дії хімічних забруднюючих речовин, що виділяються, чи фізичних факторів впливу, температури і вологості навколишнього середовища. Вибір місця відбору проб повітря в робочій зоні звичайно більш складний, ніж проб атмосфери в населених місцях або у навколишньому природному середовищі в зв'язку з насиченістю робочого приміщення і проммайданчика потенційними джерелами шкідливого впливу (забруднення). Екоаналітичний і санітарний контроль забруднень повітряного середовища в робочій зоні здійснюють вибірково на окремих робочих місцях, стадіях або операціях, якщо на обстежуваній ділянці (що характеризується сталістю технологічного процесу) досить ідентичне устаткування або однакові робочі місця, на яких виконуються ті самі операції. При цьому відбір проб варто проводити на робочих місцях, розташованих у центрі і по периферії приміщення (відкритого проммайданчика з устаткуванням).

При виборі точок пробовідбору основну увагу варто приділяти робочим місцям за основними (масовими) професіями. Місця для відбору проби повітря в робочій зоні вибирають з урахуванням технологічних операцій, при яких можливе найбільше виділення в повітря робочої зони шкідливих речовин, наприклад:

- біля апаратури й агрегатів у період найбільш активних хімічних, термічних і інших процесів в них;

- на ділянках завантаження і вивантаження речовин, затарювання готової продукції;

- на ділянках "внутрішнього" транспортування сировини, напівфабрикатів і продукції;

- на ділянках розмелу і сушіння сипучих, або що порошать матеріалів і речовин;

- біля найбільш ймовірних джерел виділень при перекачуванні рідин і газів (насосні, компресорні) і ін.;

- на місцях відбору технологічних проб, необхідних для цілей технічного аналізу.

Періодичність відбору проб повітря для кожної речовини в кожній вибраній точці встановлюють індивідуально в залежності від терміну перебування персоналу на робочому місці, від характеру контрольованого технологічного процесу. Часто враховують властивості речовин (факторів) і їхньої небезпеки, установлюючи при виробничому контролі таку періодичність відбору й аналізу проб:

для 1-го класу – не менше одного разу в 10 днів,

для 2-го – не рідше, ніж щомісяця,

а для 3-го і 4-го – не менше, ніж один раз у квартал.

При відборі проб повітря обов'язково необхідно знати:

1) в якому агрегатному стані знаходиться ЗР в повітрі;

2) які речовини супутні тій речовині, яка досліджується;

3) короткочасно чи постійно надходить ЗР в повітря.

Проби повітря відбирають аспіраційним способом (пропускаючи повітря через поглинальний прилад з визначеною швидкістю) і способом заповнення посудин обмеженого об'єму. Для дослідження газоподібних домішок придатні обидва способи, а для дослідження аерозольних домішок і пилу – лише аспіраційний.

3. Прилади і засоби відбору проб повітря, пилу, аерозолів

Відбір проб повітря є найбільш важкою операцією, адже це вимагає застосування спеціальних приладів (іноді досить складної конструкції), поглинального розчину, а також різного призначення технічних засобів (насоси, витратоміри повітря, інше).

Використовують два методи відбору проб повітря: аспіраційний і відбір проб у різні ємності. Для відбору проб повітря найчастіше застосовують аспіраційний метод, що являє собою протягування забрудненого повітря на місці визначення через спеціальний поглинальний розчин або тверду речовину. Ці речовини здатні поглинати забруднення, зокрема, протягування через рідину називається барботуванням. Ці поглиначі завжди знаходяться, в так званому, поглинальному посуді різної форми, конструкції, зокрема рідинні поглинальні склянки мають U-подібну форму. Через системи трубок цей посуд під’єднується спочатку до приладу, що вимірює витрату повітря (л/с або м³/с), а потім до збуджувача повітря (насоса), який протягує це повітря.

Останнім часом застосовують так звані аспіратори, які працюючи від джерела живлення, одночасно являють собою і насос та витратомір повітря. Аспірація через рідину найбільш поширений спосіб. Швидкість такого пробовідбору до 30-50 л/хв.. Цей метод відрізняється відносною простотою і економічністю, а також можливістю послідуючого дослідження невідомого компоненту в лабораторних умовах. Але є і недоліки:

- низький коефіцієнт концентрування забруднень в поглинальному розчині;

- неможливість отримання представницької проби при наявності в повітрі одночасно кількох забруднюючих речовин.

Крім того, при відборі проб великих об’ємів повітря для аналізу слідів супертоксикантів суттєво зростає систематична похибка, яка пов’язана із випаровуванням поглинального розчину або в результаті втрати забруднюючих речовин внаслідок великих швидкостей аспірації. Для зниження цих похибок застосовують спеціальні розчинники. Оскільки в повітрі промислових районів міститься кілька сотень різних сполук та ще й у різних агрегатних станах, то універсального пробовідбору не існує.

Електроаспіратор. Цей прилад призначений для протягування повітря через поглинальні речовини (для аспірації). Прилад складається з електричного насоса, що втягує повітря, чотирьох реометрів, які являють собою скляні трубки – ротаметри, які розградуйовані на швидкість повітря, всередині мають легкі поплавки, які здатні підніматися під тиском протягуючого повітря на певну висоту. Перші два призначені для вимірювання швидкості повітря в межах від 1 до 20 л/хв., а інші два – в межах від 0,1 до 1 л/хв. У нижній частині ротаметри сполучені із штуцерами, що виходять на передню панель приладу, до яких приєднуються гумовими трубками поглинальні прилади. Одночасно можна поєднати чотири прилади, а отже, відбирати чотири проби повітря одночасно. У верхній частині ротаметрів є вентилі, якими можна регулювати швидкість відбору проб повітря.

Принцип дії приладу полягає в тому, що обертання ротора насоса створює розрідження, внаслідок чого засмоктується повітря через нижні штуцери.

Реометри. Служать для визначення обсягу повітря, відібраного для аналізу. Вони бувають рідинні і сухі. Рідинні реометри (на рис.) слугують для встановлення швидкості руху повітря при відборі проб. Це U–подібні скляні трубки з двома розширеннями в лівій частині трубки внизу і в правій частині зверху. Її верхні коліна сполучені з горизонтальною трубкою, яка має посередині перегородку з отвором, яка називається діафрагмою. U–подібна трубка заповнюється до відмітки «0» на шкалі приладу очищеним газом, густиною 0,82-0,83 г/см³ , або підфарбованою дистильованою водою. Швидкість протягнутого повітря реєструється рівнем рідини в правій частині трубки, на якій є шкала. Повітря, проходячи по горизонтальній трубці, зустрічає на своєму шляху перешкоду у вигляді діафрагми. У результаті цього в лівому коліні трубки створюється підвищений тиск. За діафрагмою повітря має більш низький тиск, тому в лівому коліні рівень газу знижується, а в правому – підвищується. Зі зміною швидкості руху повітря буде змінюватися різниця рівнів газу в обох колінах. Реометр прикріплюють до штатива зі шкалою, калібрування якої здійснюється за допомогою газових годинників і аспіратора. Оцінки на шкалі показують швидкість руху повітря в літрах за хвилину.

Пилосос. Часто для відбору проб повітря використовують пилосос. З його середини видаляють внутрішній мішок для збору пилу і на всмоктуючий отвір вставляють гумову трубку з прорізаним отвором для встановлення трубки, на яку надівається гумовий шланг з реометром. До реометра під’єднується з іншого боку поглинальний прилад. Швидкість протягування повітря можна регулювати затискачем, який встановлюється на шланг. Найчастіше пилосос застосовують для відбору проб повітря на вміст пилу.

Автомобільний аспіратор конструкції Качора. Автомобільний аспіратор встановлюється на виносному штативі з навітряної сторони на висоті 1,5 м від поверхні землі. Насадка аспіратора обов’язково повинна бути направлена в бік набігаючого потоку повітря. Якщо в якості повітряного насоса брати двигун автомобіля, необхідно виключити попадання вихлопних газів на фільтр або інший поглинальний пристрій.

Відбір проб повітря в посудини Використання цього способу зумовлено значною агресивністю хімічних речовин, які вловлюють з повітря поглинальні пристрої. Проби повітря відбирають у посудини в тих випадках, коли метод аналізу дозволяє обмежитися невеликими обсягами.

Відбір проб повітря обмінним способом. Метод застосовується в тих випадках, коли обумовлена речовина не може бути введена в зіткнення з рідиною. При цьому через бутиль або газову піпетку продувають зі швидкістю не менш 2 л/хв 10-кратний об'єм досліджуваного повітря.

Вакуумний спосіб відбору проб є швидким і зручним. Використовують товстостінні бутилі, що закриваються герметично каучуковою пробкою, у яку вставляють скляну трубку, постачену краном, чи закриту гумову трубку з затискачем. Для створення розрідження застосовують насос. У посудинах, призначених для відбору проб, створюється розрідження, рівне 600-700 мм рт. ст., що встановлюється за манометром або вакуумметром. У місці відбору проби посудину відкривають: у силу різниці тисків він заповнюється повітрям, яке необхідно дослідити. Після відбору проб посудини герметично закривають.

Відбір проб повітря в гумові камери. Проби повітря можна відбирати у футбольні камери, гумові мішки і т.д. Варто враховувати, що в цих випадках відібране для дослідження повітря не повинне довгостроково зберігатися, тому що через стінки гумових камер може проходити вуглекислий газ, який спотворює склад відібраного повітря.

Технічні засоби контролю забруднень (ТЗКЗ) атмосфери також традиційно поділяють за ступенем їх автоматизації на:  автоматичні газоаналізатори і (або) сигналізатори і неавтоматизовані прилади (ручні експресні газоаналізатори тощо). Більшість неавтоматичних газоаналізаторів працюють на основі індикаторних трубок, напівкількісних експрес-тестів, індикаторних білетів, проб, папірців, плівок. Ці засоби більш доступні для громадського користування, адже вони дешеві і прості. Професійно вони використовуються для польового контролю «на місці» для попередніх виявлень забруднення довкілля. Поступово неавтоматичні газоаналізатори витісняються автоматичними.

Аналізатори повітря в основному орієнтовані на контроль оксиду Сульфуру, оксиду Нітрогену, Меркурію, Озону, а також гідрогенсульфуру, амоніаку, вуглеводнів, пилу тощо. Крім цього, в дану групу входять засоби, які фіксують метеопараметри (температуру повітря, швидкість і напрям вітру, тиск, вологість).

Універсальний газоаналізатор УГ-2. призначений для вимірювання концентрацій шкідливих газів (парів) у повітрі робочої зони виробничих приміщень. Принцип вимірювання – колористичний. Він ґрунтується на тому, що через спеціально виготовлені індикаторні трубки протягують певні об’єми забрудненого повітря, газів або парів. Висота забарвленого індикаторного порошку прирівнюється з еталоном, за яким визначається концентрація забруднюючих речовин у мг/м³. Газоаналізатор універсальний призначений для експрес-аналізу повітря, в якому присутні гази СО, СО2, NО2, Н2S, Сl2, СН4, С2Н5ОН, і органічні похідні бензену (толуол, ксилол).

Також використовують Автоматичні газоаналізатори різних моделей: ГМК-3, ГКП-1, 667ФФ, 645ХЛ, 652ХЛ, 623НН, «Оkоmeter», проте вони здебільшого орієнтовані на визначення концентрації одної сполуки (SO₂, NO_x, вуглеводнів, озону і т.п.)