УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ВЗВЕСЕЙ В ВОЗДУХЕ

Полезная модель относится к средствам для определения загрязненности воздуха при санитарно-гигиеническом контроле воздуха рабочей зоны производственных помещений, очистных систем промышленных производств и экологическом мониторинге загрязнения атмосферы.
Известно устройство для исследования природных взвесей в воздухе, содержащее приемный патрубок, камеру, фильтр, регистрирующую аппаратуру, при этом с одной стороны сообщен с камерой, внутри которого установлен чувствительный элемент датчика диэлектрической проницаемости среды (см. RU 2147739, МПК G01N 15/02, 2000).
К недостаткам известного решения, относится значительная погрешность измерения. Кроме того, не обеспечивается выявление крупности загрязнений и недостаточна достоверность выявления тонких взвесей, которые «уходят» в массу фильтрующего материала.
Известно также устройство для исследования природных взвесей в воздухе, содержащее приемный узел, среду, фиксирующую природные взвеси и регистрирующую аппаратуру, выполненную с возможностью измерения параметров природных взвесей в фиксирующей среде (ISO 10473: 2000(Е), р.4-5, fig.1.). При этом, устройство содержит насос и патрубки для пропускания исследуемого воздуха через фильтрующий элемент, преобразователь плотности осажденной пыли, включающий источник и приемник β-излучения, а также арифметический блок для вычисления искомой концентрации с учетом объема пропущенного воздуха. Устройство обеспечивает определение массовой концентрации пыли в воздухе При этом в процессе измерений пыль, находящуюся в воздухе, осаждают на фильтрующем элементе и определяют поглощение β-излучения на нем до и после осаждения пыли.
К недостаткам известного решения, относится отсутствие возможности оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности. Кроме того, велика погрешность измерения (из-за нестабильности преобразователя плотности пыли за время пропускания исследуемого воздуха через фильтрующий элемент, достигающей в ряде случаев нескольких десятков часов. Нестабильность обусловлена изменением плотности воздуха в зазоре между источником и приемником β-излучения из-за изменения температуры, влажности и давления и флуктуациями интенсивности источника β-излучения).
Задачей полезной модели является обеспечение возможности оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности.
Технический результат - обеспечение возможности оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности. Кроме того повышается точность измерений и упрощается процесс измерения.
Для решения поставленной задачи, устройство для исследования природных взвесей в воздухе, содержащее приемный узел, средство, фиксирующее природные взвеси в фиксирующей среде и регистрирующую аппаратуру, выполненную с возможностью измерения параметров природных взвесей в фиксирующей среде, отличается тем, что приемный узел выполнен в виде воронки для сбора природных осадков, в качестве средства фиксирующего природные взвеси в фиксирующей среде использована накопительная емкость, выполненная с возможностью перемешивания в ней накопленных природных осадков, которая посредством дозатора связана с измерительной кюветой регистрирующей аппаратуры, в качестве которой использован лазерный анализатор частиц, выполненный с возможностью выявления частиц от нанометрового до миллиметрового диапазона.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию “новизна”.
Результаты поиска показали, что заявленная полезная модель не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, при этом совокупность ее признаков обеспечивает возможность оценки гранулометрического состава загрязнений и выявления загрязнений нанометрической крупности.
На фиг.1 показана схема заявленного устройства.
На чертежах показаны воронка 1, накопительная емкость 2, снабженная лопастной мешалкой 3 и нагревателем 4, дозатор 5, измерительная кювета 6, регистрирующая аппаратура 7, снег 8, жидкая масса осадков 9.
Воронка 1 выполнена по типу аналогичных узлов дождемеров (плювиометров), приборов, используемых для измерения количества осадков (дождя и снега).
Поскольку объемные характеристики осадков не фиксируются накопительная емкость 2 может не иметь никаких мерных рисок.
Если прибор предназначен для работы только с дождевыми осадками и методика измерений предусматривает отбор малых порций материала, накопительная емкость 2 может быть лишена лопастной мешалки 3 и нагревателя 4, при этом в качестве ее может использоваться любая посуда соответствующего объема.
Если прибор предназначен для работы также и со снегом, а методика измерений предусматривает отбор больших порций материала, накопительную емкость 2 целесообразно снабдить лопастной мешалкой 3 и нагревателем 4 (что ускорит процесс таяния снега и, тем самым, подготовки проб к анализу).
В первом случае, в качестве дозатора может использоваться любая мерная емкость объем которой меньше объема измерительной кюветы 6 регистрирующей аппаратуры 7.
Во втором случае, в качестве дозатора может использоваться кран, размещаемый в водопроводе 10 связывающем нижнюю часть накопительная емкость 2 и полость измерительной кюветы 6 регистрирующей аппаратуры 7.
В качестве регистрирующей аппаратуры 7 используют известный прибор - лазерный анализатор частиц, например, типа Fritch Analysette 22 Nano Tec (Fritch).
Этот прибор имеет диапазон измерений от 0,01 мкм до 2000 мкм. Принцип действия прибора базируется на лазерной дифракции (метод, основанный на зависимости угла рассеяния света от их размеров - чем больше размер, тем меньше рассеяние). Сквозь кювету с исследуемым образцом проходит лазерный луч, интенсивность рассеянного света снимается с фоточувствительного детектора. Расчеты ведутся по теории Фраунгофера. В качестве альтернативного метода для исследования частиц, размеры которых сравнимы с длиной волны лазера, используется метод Ми. Для расширения возможности определения размеров частиц вплоть до нанодиапазона требуется детектирование рассеянного назад света. Чтобы использовать для измерения также обратное рассеяние, используется второй лазерный пучок. Он дополнительно облучает помещенную непосредственно перед детектором пробу через микроотверстие в центре детектора последовательно сзади и, тем самым, расширяет диапазон измерений до нижнего предела измерений порядка 0,01 мкм. Для целей заявленного решения используют блок мокрого диспергирования прибора.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Осадки собирают посредством воронки 1,которая их направляет в накопительную емкость 2. Если речь идет о снеге 8, то осадки растапливают посредством нагревателя 4 (или выдерживают их до таяния снега 8 в теплом помещении, изолировав емкость 2 от попадания пыли из атмосферы помещения). Далее осадки перемешивают для достижения равномерного распределения твердых частиц взвеси по объему жидкости (либо с использованием лопастной мешалки 3 либо миксером и т.п.). Далее отбирают 40 мл жидкой массы осадков 9, которую перемещают в измерительную кювету 6 где анализируют на лазерном анализаторе частиц (на регистрирующей аппаратуре 7). снег 8, жидкая масса осадков 9.
При этом измеряют размеры частиц их форму, а также их распределение по размерам.
Пример конкретного использования устройства.
Пробы снега (N=5) собирались в 6 районах г.Владивостока: Первая речка. Вторая речка. Пушкинская, Эгершельд, Садгород и Емар (в нижеприводимых таблицах, обозначены буквами А, Б, В, Г, Д и Е).
Снег собирался в момент снегопада в марте 2010 года в г.Владивосток, Приморский край. Брали верхний слой (5-10 см), только что выпавшего снега, для исключения вторичного загрязнения антропогенными аэрозолями и помещали в стерильные контейнеры объемом 1 л. Затем из каждого образца, растаявшего снега набирали 40 мл и анализировали на лазерном анализаторе частиц Fritsch Analysette 22 Nano Tec (Fritsch), обеспечивающем возможность при анализе природных взвесей четко выделять классы частиц размером от 1) 0,1 до 1 мкм; 2) от 1 до 10; 3) от 10 до 50; 4) от 50 до 100 и 5) более 100 мкм. Результаты разделения по фракциям и физико-техническим характеристикам частиц взвесей, обнаруженных в снеге, приведены ниже в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Распределение частиц в снеге по фракциям
Фракция
Район города
А
Б
В
Г
Д
Е
1
150-300 нм/ 10%
2
2-3 мкм / 2-3%
4-8 мкм / 20%
2-3 мкм / 5%
2-5 мкм / 2%
5-10 мкм / 5%
6-10 мкм / 2%
5-7 мкм / 15-17%
4-8 мкм / 65%
3
12-20 мкм/ 20-25%
30-40 мкм / 35%
30-45 мкм / 30%
15-20 мкм/ 2%
25-35 мкм /10%
40-50 мкм / 50%
4
40-70 мкм / 55%
40-50 мкм / 2%
5
200-450 мкм / 94%
400-1000 мкм / 85%
300-500 мкм / 95%
600-1000 мкм / 3%
Таблица 2
Физико-технические параметры частиц, содержащихся в пробах снега
Параметры
Район города
А
Б
В
Г
Д
Е
Средний арифметический диаметр, мкм
21,56
36,459
15,073
340,776
727,179
398,402
Средний геометрический диаметр, мкм
12,487
28,55
9,999
317,878
452,337
382,43
Квадратная площадь средн. диаметра, мкм
25,683
40,756
20,184
346,506
792,73
412,519
Средний гармонический диаметр, мкм
1,902
18,18
7,264
167,39
70,525
297,902
Форма (мода), мкм
34,093
53,254
5,518
354,421
864,755
367,841
Медиана, мкм
16,124
33,413
6,01
350,539
837,667
378,273
Средний медианный показатель
1,337
1,091
2,508
0,972
0,868
1,053
Отклонение, мкм<sup>2</sup>
196,775
335,117
182,017
3977,939
100637,5
11563,3
Среднеквадратичное отклонение, мкм
14,028
18,306
13,491
63,071
317,234
107,533
Среднее отклонение, мкм
13,278
15,7
12,651
29,35
226,483
57,069
Коэффициент отклонения, %
65,065
50,21
89,508
18,508
43,625
26,991
Ассиметрия
-0,16
-0,55
0,68
-4,12
-1,66
2,58
Коэффициент эксцесса
-1,67
-1,03
-1,48
18,09
1,05
9,84
Интервал
2,16
1,5
5
0,18
1,12
0,3
Однородность
0,815
0,466
1,658
0,08
0,217
0,142
Удельная поверхность, см<sup>2</sup>/см<sup>3</sup>
31550,2
3300,4
8259,42
358,44
850,76
201,41
Удельная поверхность, cм<sup>2</sup>/г
15775,1
1650,2
4129,71
179,22
425,38
100,7
Полученные данные, хотя и носят предварительный характер, позволяют провести первичное районирование г.Владивостока по результатам анализа атмосферных взвесей.
Наиболее опасными с точки зрения имеющихся в литературе данных, можно считать частицы размером от 50-100 нм и до 1 мкм. Они были обнаружены в районе «Первая речка». Мелкодисперсные фракции, вторые по потенциальной опасности, в значимых концентрациях (более 20% от общего числа частиц) от 1 до 10 мкм обнаруживались в районах «Вторая речка», Эгершельд. Частицы нано- и микродиапозона относятся скорее всего к частицам сажи.
Более крупные частицы (от 10 до 100 мкм) также имеют антропогенное происхождение - это сажа, фрагменты асфальта и автомобильная резина. Частицы более 100 мкм (вплоть до мм) представляют из себя частицы грунта и асфальтового покрытия.
Данные реальных измерений подтверждают возможность организации мониторинга состояния воздушной среды в районах местоположений предприятий продукция которых или технологический цикл предполагают получение (использование) наноразмерных материалов.