СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к способам отбора проб аэрозолей при контроле и исследовании техногенного загрязнения атмосферы токсичными элементами (например, тяжелые металлы, мышьяк, селен) и органическими веществами, содержащимися в атмосфере в аэрозольной форме (например, пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированные бифенилы (ПХБ).

Известен способ отбора проб атмосферных аэрозолей, при котором осуществляют принудительную фильтрацию атмосферного воздуха через волокнистый фильтр [1].

К недостаткам этого способа относятся невозможность фильтрации больших объемов воздуха и низкая эффективность улавливания высокодисперсных аэрозолей, несущих техногенные токсиканты.

Известно устройство для отбора проб атмосферных аэрозолей, содержащее фильтр, расходомер и побудитель расхода [2].

К недостаткам этого устройства относятся невозможность отбора проб большой длительности и невысокая эффективность улавливания высокодисперсных аэрозолей.

Задачей изобретения является обеспечение высокой эффективности улавливания высокодисперсных аэрозолей и возможности отбора проб большой длительности.

Указанная задача в части способа решается тем, что в способе отбора проб атмосферных аэрозолей, при котором осуществляют принудительную фильтрацию атмосферного воздуха через волокнистый фильтр, согласно изобретению фильтрацию воздуха через волокнистый фильтр осуществляют со скоростью 0,005 - 0,05 м/с, после чего воздух дополнительно фильтруют через объемный сорбент, к которому подводят электрический потенциал.

Указанная задача в части устройства решается тем, что устройство для отбора проб атмосферных аэрозолей, содержащее фильтр, расходомер и побудитель расхода, согласно изобретению дополнительно снабжено объемным фильтром в виде заполненной сорбентом трубки с металлической сеткой, соединенной с источником электрического напряжения.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 - 3 представлены результаты экспериментов согласно описываемому способу.

Устройство для отбора проб атмосферных аэрозолей содержит стандартную воронку-алонж 1 с закрепленным в ней стандартным волокнистым фильтром, например типа АФА-ХА-20; блок 2 для размещения объемного фильтра в виде трубки 3 с сорбентом и подачи на нее электрического потенциала; ротаметр 4 для измерения производительности отбора и побудитель расхода (аспиратор) 5.

Воронка-алонж 1 с укрепленным в ней волокнистым фильтром соединяется с блоком 2 с помощью гибкого шланга, например, из жесткой поливинилхлоридной резины длиной не менее 1,5 м, чтобы избежать воздействия электрического потенциала, подводимого к трубке 3 с сорбентом, на волокнистый фильтр. Внутренний диаметр шланга не менее 10 мм. Блок 2, предназначенный для установки и герметизации от атмосферы объемного фильтра-трубки 3 с сорбентом, состоит из неподвижного узла 6 с укрепленным на ней рычагом 7, предназначенным для перемещения подвижной части 8 с помощью пружины 9. Герметизация трубки 3 осуществляется с помощью инертных податливых прокладок 10 (например, из белой силиконовой резины), расположенных в нижней (неподвижной) и в верхней (подвижной) частях блока 2. В нижней части блока 2 в отверстии расположен пружинный электрод 11 для подачи электрического потенциала от источника электрического напряжения к трубке с сорбентом. Трубка 3 с сорбентом выполнена из инертного неметаллического материала, например тефлона, и заглушена с двух сторон наконечниками из инертного, неметаллического, более твердого, чем тефлон, материала, например из капролона, с укрепленными в них сетками: верхней - неметаллической (полиэтиленовой), нижней - металлической. Нижняя часть блока 2 через выходной штуцер соединена гибким шлангом (например, из силиконовой резины) с входным штуцером ротаметра 4. Ротаметр 4 может быть выполнен из оргстекла и снабжен шкалой и внутренним каналом конической формы со стальным шариком в нем. Выходной штуцер ротаметра 4 соединен гибким шлангом (например, из силиконовой резины) с побудителем расхода 5, представляющим собой вибрационный микрокомпрессор МК-Л2, переделанный на разрежение.

Описываемый способ реализован в работе устройства, работающего следующим образом.

Специально обработанный сорбент (активированный уголь) засыпается в тефлоновую трубку 3. Сетки в верхней и нижней частях трубки препятствуют высыпанию сорбента. При нажатии на рычаг 7 блока 2 для размещения трубки преодолевается сопротивление прижимной пружины 9 и подвижная часть 8 поднимается вверх, освобождая место для трубки 3 с сорбентом. Трубка 3 устанавливается в блок 2 металлической сеткой вниз так, чтобы последняя соприкоснулась с выступающим над отверстием пружинным электродом 11. При отпускании рычага 7 прижимная пружина 9 отпускает подвижную часть 8 и создает усилие на уплотняющих прокладках 10. На пружинный электрод подается постоянное электрическое напряжение положительной или отрицательной полярности не менее 100 В. Включается аспиратор 5, и анализируемый атмосферный воздух начинает последовательно проходить через волокнистый фильтр с невысокой скоростью фильтрации, например 0,005 - 0,05 м/с, что соответствует производительности отбора 0,6 - 6 л/мин. При этом аэрозоли с радиусом частиц более 0,1 - 0,2 мкм оседают на волокнистом фильтре. После прохождения волокнистого фильтра воздух подвергают дальнейшей фильтрации через объемный фильтр в виде трубки с сорбентом (например, активированным углем), к которой подведен электрический потенциал не менее 100 В, и через ротаметр 4. На таком объемном фильтре осаждаются аэрозоли с размерами частиц меньше 0,1 мкм. Уменьшение скорости фильтрации приводит к тому, что на стандартном волокнистом фильтре оседает аэрозолей в несколько раз (до 18 раз) больше, чем в случае фильтрации с обычной скоростью (в данном случае это 83 см/с, что соответствует объемной производительности 100 л/мин).

Фильтрация воздуха через трубку с сорбентом позволяет улавливать аэрозолей от 1,7 до 55 раз больше по сравнению с фильтрацией через волокнистый фильтр с малой скоростью и от 2,8 до 143 раз больше по сравнению с фильтрацией через волокнистый фильтр со стандартной (высокой) скоростью. Приложение к трубке с сорбентом отрицательного потенциала 100 В усиливает ее фильтрующее действие, и по сравнению с фильтром (фильтрация с малой скоростью) на ней оседает в 22 - 256 раз больше аэрозолей.

Объем прошедшего воздуха рассчитывается как произведение времени отбора пробы на производительность отбора, измеряемую ротаметром. После окончания отбора волокнистый фильтр и сорбент вынимают из устройства и анализируют на наличие в них токсичных примесей (тяжелых металлов, мышьяка, селена, ПАУ, ПХБ и других) стандартными лабораторными методами.

Примеры применения способа.

Пример 1. Пробы отбирались вблизи предприятий черной металлургии (г. Челябинск). Отбор проб проводился синхронно: с помощью аспиратора, работающего в соответствии со стандартной методикой (протяжка воздуха через фильтр производительностью 100 л/мин), и с помощью описанного устройства, в котором за фильтром располагалась трубка с сорбентом. Производительность фильтрации составляла 3 л/мин. Измеряя концентрации элементов, удавливаемые фильтром и сорбентом, определяли коэффициенты проскока. Пробы анализировали с помощью спектрометра с индуктивно связанной плазмой. Результаты анализа приведены в табл. 1. Как видно из табл. 1, коэффициенты проскока различны для разных элементов и составляют 60 - 98%. Для большинства элементов эффективность улавливания фильтром зависит от скорости фильтрации и при ее уменьшении со 100 до 3 л/мин эффективность возрастает до 18 раз (для Cd).

Зависимость концентраций элементов, обнаруженных на сорбенте, от величины подаваемого на сорбент потенциала была получена при отборе проб воздуха в лабораторном помещении. Результаты этих экспериментов приведены на фиг. 2. Из фиг. 2 видно, что, начиная с некоторого значения величины потенциала (10 - 40 В), наступает насыщение, дальнейшее повышение напряженности электрического поля не приводит к увеличению концентрации измеряемого вещества.

Пример 2. Пробы отбирали на расстоянии около 2 км от промплощадки свинцово-цинкового комбината (г. Усть-Каменогорск) три раза в сутки по 8 ч непрерывно: с 22 ч до 6 ч утра, с 6 ч утра до 14 ч и с 14 ч до 22 ч. Одновременно работали три одинаковых пробоотборных устройства. На сетку-электрод на выходе из сорбента (гранулированный активированный уголь с размером гранул 0,25 мм) подавался потенциал на одном из приборов положительной полярности (+100 В), на другом - отрицательной (-100 В), на третьем приборе потенциал не подавался. Концентрации элементов измеряли атомно-абсорбционным способом. В табл. 2 приведены результаты анализа проб, усредненные по трем независимым отборам с 22 ч до 6 ч утра. При подаче отрицательного потенциала на электрод заметно увеличение количества всех элементов на сорбенте. Это, по-видимому, свидетельствует о том, что частицы имеют преимущественно положительный заряд.

Пример 3. Отбор проб некоторых органических веществ, для которых рекомендуется применять волокнистые фильтры.

Стандартные условия отбора проб на пирен-волокнистый фильтр при скорости фильтрации около 20 см/с. С помощью стандартной методики отбора была получена концентрация пирена 0,1 мкг/м³. В той же точке отбора с помощью предлагаемого устройства (при синхронном отборе) концентрация пирена составила 26 мкг/м³. Концентрация бенз(а)пирена в зависимости от технологических процессов и метеорологических условий получается в 2 - 5 раз выше, чем с применением стандартного способа.

Использование: для отбора проб аэрозолей при контроле и исследовании техногенного загрязнения атмосферы токсичными элементами и органическими веществами, содержащимися в атмосфере в аэрозольной форме. Сущность изобретения: в способе отбора проб атмосферных аэрозолей фильтрацию воздуха через волокнистый фильтр осуществляют со скоростью 0,005 - 0,05 м/с. После фильтрации атмосферный воздух дополнительно фильтруют через объемный сорбент. К сорбенту подводят электрический потенциал. Устройство для отбора проб атмосферных аэрозолей дополнительно снабжено объемным фильтром в виде заполненной сорбентом трубки с металлической сеткой. Металлическая сетка соединена с источником электрического напряжения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ отбора проб атмосферных аэрозолей, при котором осуществляют принудительную фильтрацию атмосферного воздуха через волокнистый фильтр, отличающийся тем, что фильтрацию воздуха через волокнистый фильтр осуществляют со скоростью 0,005 0,05 м/с, после чего воздух дополнительно фильтруют через объемный сорбент, к которому подводят электрический потенциал. 2. Устройство для отбора проб атмосферных аэрозолей, содержащее фильтр, расходомер и побудитель расхода, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено объемным фильтром в виде заполненной сорбентом трубки с металлической сеткой, соединенной с источником электрического напряжения.