СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ГРАВИТАЦИОННОГО ОСЕДАНИЯ ЧАСТИЦ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЫ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
METHOD TO DETERMINE SPEED OF GRAVITY SEDIMENTATION OF PARTICLES OF FLUE DUST IN EMISSIONS OF INDUSTRIAL ENTERPRISES IN ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов, а именно к определению скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы с помощью нейтронно-активационного анализа мхов-биомониторов.
Известен способ определения скорости гравитационного оседания частиц летучей золы, основанный на седиментометрическом принципе [1. П.А. Коузов, Л.Я. Скрябина. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. Л.: Химия. 1983. - С. 37-50]. Данный способ включает две операции: а) отбор представительной пробы частиц летучей золы; б) диспергирование золы в жидкой или газообразной неподвижной среде. В зависимости от измеряемой величины существует несколько модификаций данного способа. Например, скорость гравитационного оседания частиц летучей золы определяют с помощью номограмм по массе дисперсной фазы, выпадающей на чашечку весов из столба суспензии и накопленной к заданным моментам времени. При электрофотоседиментрии скорость гравитационного оседания частиц летучей золы определяют с помощью калибровочной кривой по зависимости интенсивности пучка света, проходящего на заданном уровне столба суспензии по мере осаждения дисперсной фазы.
Недостатки способа
1. Этим способом определяют скорость гравитационного оседания частиц в неподвижной среде. В атмосфере, когда воздушные массы находятся в непрерывном движении, на скорость оседания влияют еще и аэродинамические свойства частиц.
2. Скорость гравитационного оседания зависит от дисперсного состава пыли. А дисперсный состав уловленной пыли и пыли, содержащейся в атмосферном воздухе, может сильно отличаться.
3. Из-за сравнительно малых концентраций пыли в атмосферном воздухе время пробоотбора составляет не менее нескольких суток.
Известен способ определения скорости гравитационного оседания частиц летучей золы [1, с. 51-67], основанный на центробежной сепарации частиц летучей золы в процессе движения пылегазового потока по вращающемуся ротору и определении массы осадка на различных расстояниях от начала протяженного канала ротора. Исходя из измеренного распределения массы осадка по длине канала, с помощью калибровочного графика рассчитывают дисперсионный состав летучей золы, а затем, используя номограммы, при известной плотности частиц золы и температуре пылегазового потока, определяют скорость гравитационного оседания. Калибровочный график строят для заданной частоты вращения ротора, скорости движения запыленного потока по каналу ротора, плотности материала частиц и вязкости газа. Время экспозиции ротационного анализатора составляет 30-60 минут. За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений. Расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать 5% в области грубых фракций и 3% в области мелких (<2 мкм) фракций. В противном случае определение повторяют.
Основные недостатки способа
1. Этот способ малопригоден для измерения скорости гравитационного оседания непосредственно в атмосферном воздухе, так как его используют при достаточно высоких концентрациях пыли в потоке.
2. Аэродинамические свойства частиц, движущихся в турбулентной атмосфере и в пылегазовом потоке, могут сильно отличаться.
Неизвестны способы определения скорости гравитационного оседания летучей золы выбросов промышленных предприятий непосредственно в приземном слое атмосферы.
Задачей изобретения является разработка способа определения скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий непосредственно в приземном слое атмосферы.
Способ определения скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы заключается в том, что в заданном направлении от промышленного предприятия на разных расстояниях от 1 до 5 км отбирают не менее 5 образцов эпифитного мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. с коры берез, осин и тополей на высоте от 1,5 до 2 м. Кроме того, один образец мха отбирают на фоновой территории с природно-климатическими условиями, одинаковыми с исследуемой территорией, и удаленной на расстояние более 100 км от промышленных центров в направлении, противоположном преимущественной розе ветров.
24
Очищают образцы мха от инородных примесей, промывают дистиллированной водой, сушат при температуре от 80 до 100°C и гомогенизируют. Изготавливают от 5 до 10 параллельных представительных проб, подвергают их облучению потоком тепловых нейтронов в течение не более 5 часов. После спада активностей Na до безопасного уровня определяют удельную активность каждой пробы путем сравнения интенсивности гамма-линий радионуклидов химических элементов в пробе с интенсивностью гамма-линий эталонов.
Значения концентраций химических элементов в образцах мхов, определенные с помощью нейтронно-активационого анализа, методом наименьших квадратов аппроксимируют зависимостью вида:
ф
где q - фоновая (природная) концентрация химического элемента в пробе, отобранной на территории, удаленной от промышленных предприятий на расстояние не менее 100 км;
1
2
х - расстояние от точек пробоотбора мхов до промышленного предприятия, определяя при этом численные значения эмпирических коэффициентов А, θ и θ, затем рассчитывают скорость гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленного предприятия в приземном слое атмосферы по формуле:
1
n
где n - безразмерный параметр для интерполяции вертикального профиля скорости ветра: u(z)=uz,
1
где u - среднегодовая скорость ветра на высоте 1 м;
z - высота от поверхности земли;
Н - высота трубы промышленного предприятия.
Эпифитный мох Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. имеет продолжительный жизненный цикл до 10-15 лет, высокие аккумуляционные способности, широкое распространение, высокую встречаемость в различных климатических зонах, произрастает на коре старых осин, берез и тополей, поэтому может быть отобран в зоне действия промышленных предприятий. Использование мхов, аккумулирующих частицы летучей золы выбросов промышленных предприятий, позволяет не проводить пробоотбор частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий, при котором меняется дисперсный состав частиц, а также искажаются их аэродинамические свойства.
Предложенный способ позволяет получить надежные результаты даже при сравнительно низких концентрациях загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, так как время экспозиции в зависимости от длины прироста используемого мха составляет от 2-3 до 10-15 лет.
Изготовление параллельных представительных проб из образцов отобранного эпифитного мха позволяет уменьшить погрешность в измерениях без существенного увеличения стоимости анализа. Использование 5-10 параллельных представительных проб для нейтронно-активационного анализа обеспечивает достоверное определение концентраций всех химических элементов в анализируемых пробах, что в свою очередь позволяет с большой точностью и объективностью построить зависимость концентрации химических элементов во мхах от расстояния до источника загрязнения и определить скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы.
На фиг. 1 представлена карта пробоотбора в зоне влияния угольной ТЭЦ-5 г. Новосибирска; цифрами обозначены точки пробоотбора.
На фиг. 2 представлена карта пробоотбора в зоне влияния Кандалакшского алюминиевого завода; цифрами обозначены точки пробоотбора.
В таблице 1 представлены средние значения концентраций Sm, Се, Sr, Cs, Fe, Zn, Sc, Co, U, Eu, Yb, накопленных во мхах, а также средние значения фоновых (природных) концентраций этих элементов (мкг/г) (угольная ТЭЦ-5).
В таблице 2 представлены средние значения концентраций Al, Ва, Со, Cu, Li, Mn, Na, Sr, Ti, V, накопленных во мхах, а также средние значения фоновых (природных) концентраций этих элементов (мкг/г) (алюминиевый завод).
На фиг. 3 точками изображены результаты измерений концентраций химических элементов во мхах, отобранных в северо-восточном направлении от ТЭЦ-5 г. Новосибирска, сплошными кривыми представлены результаты аппроксимации измеренных концентраций этих элементов, а горизонтальной линией изображены фоновые концентрации химических элементов во мхе Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G., где а) - Cs, б) - Eu.
На фиг. 4 точками изображены результаты измерений концентраций химических элементов во мхах, отобранных в северном направлении от Кандалакшского алюминиевого завода, сплошными кривыми представлены результаты аппроксимации измеренных концентраций для этих элементов, а горизонтальной линией изображены фоновые концентрации химических элементов во мхе Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G., где а) - Al, б) - V.
1
2
1
В таблице 3 представлены численные значения эмпирических коэффициентов А, θ, θ, среднегодовая скорость ветра u на высоте 1 метр, параметр n, а также скорость гравитационного оседания частиц выбросов ТЭЦ-5 г. Новосибирска.
1
2
1
В таблице 4 представлены численные значения коэффициентов А, θ, θ, среднегодовая скорость ветра u на высоте 1 метр, параметр n, а также скорость гравитационного оседания частиц выбросов Кандалакшского алюминиевого завода.
Образцы мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. в соответствии с розой ветров отбирали в северо-восточном направлении от ТЭЦ-5 г. Новосибирска в 2008 году с коры старых осин и тополей на высоте 1,5-2 метра от земли, что соответствует слою воздуха, которым дышит взрослый человек: два образца отбирали на расстояниях 1-1,5 км, три образца на расстояниях 2-4 км (при высоте трубы ТЭЦ-5 H=260 м) и два образца на расстояниях около 5 км (фиг. 1).
В соответствии с розой ветров образцы мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G отбирали в северном направлении от Кандалакшского алюминиевого завода в 2013 году на расстояниях 1-7 км через приблизительно равные отрезки пути (при высоте трубы КАЗ H=120 м) (фиг. 2).
Кроме того, по одному образцу мха отбирали на фоновых территориях, удаленных на расстояние более 100 км от промышленных центров в направлении, противоположном преимущественной розе ветров.
После отбора образцы мха предварительно очищали от земли и различных примесей, затем производили промывку дистиллированной водой. Далее образцы мха высушивали до постоянного веса в духовом шкафу при температуре 80°-100°. Затем образцы мха подвергали процессу гомогенизации и делали по 5-10 параллельных представительных проб методом квартования.
13
2
24
Для исследования концентраций тяжелых металлов и других микроэлементов в отобранных образцах мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. методом нейтронно-активационного анализа из каждой пробы были спрессованы таблетки. Для этого измельченный и перемешанный мох помещали в пресс-форму и использовали винтовой пресс. В результате были получены таблетки массой 0,1÷0,4 г диаметром 1 см. Все пробы взвешивали на аналитических весах и пронумеровывали. Каждую таблетку заворачивали в алюминиевую фольгу. Все пробы были разделены на несколько партий по 25-30 штук. Каждую партию заворачивали вместе со эталонами МАГАТЭ (листья березы - ЛБ-1 и листья табака - ТАБАК-5) в отдельную алюминиевую фольгу. Затем каждую упаковку помещали в пенал из алюминия высокой чистоты и облучали в канале реактора ВЭК-6 в потоке тепловых нейтронов плотностью 5·10 нейтрон/см·с в течение 5 часов. После окончания облучения пробы выдерживали в течение недели, что необходимо для спада активностей Na до безопасного уровня, и распаковывали. Все пробы помещали в измерительные емкости, обозначенные порядковым номером каждой пробы. Удельные активности каждой анализируемой пробы измеряли на полупроводниковом гамма-спектрометре на базе полупроводникового детектора GC4020. Определение концентраций химических элементов проводили относительным методом, сравнивая интенсивности аналитических гамма-линий радионуклидов определяемых элементов с интенсивностью соответствующих гамма-линий эталонов, рассчитывали концентрации определяемых элементов [2. Кузнецов Рафаил Алексеевич. Активационный анализ / Р.А. Кузнецов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1974. - С. 37]. Время измерения составляло 1200-1800 секунд в зависимости от удельной активности измеряемых проб. Для обработки аппаратурных гамма-спектров была использована программа «Genia-2000», разработанная компанией CANBERRA. Таким образом, были определены средние концентрации следующих элементов в параллельных пробах мха, отобранных на территории угольной ТЭЦ-5 г. Новосибирска: Sm, Се, Sr, Cs, Fe, Zn, Sc, Co, U, Eu, Yb (таблица 1) и средние концентрации Al, Ва, Со, Cu, Li, Mn, Na, Sr, Ti, V в параллельных пробах мха, отобранных на территории алюминиевого завода (таблица 2). Погрешность измерений составила 15-20%.
Средние концентрации вышеперечисленных химических элементов в образцах, отобранных на разных расстояниях х от промышленного предприятия, с помощью метода наименьших квадратов аппроксимировали зависимостью вида [3. Радиоактивные выбросы в биосфере: справочник / Н.Г. Гусев, В.А. Беляев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 78. 4. Н.К. Рыжакова, В.Ф. Рапута, Н.С. Рогова, А.Л. Борисенко, Е.А. Покровская. Пространственное распределение химических элементов атмосферных выбросов угольной ТЭЦ // Экология и промышленность России, 2013, №1. - С. 52-55]:
ф
где q - фоновая (природная) концентрация химического элемента в пробе, отобранной на территории, удаленной от промышленных предприятий на расстояние не менее 100 км;
х - расстояние от точек пробоотбора мхов до промышленного предприятия;
1
2
А, θ, θ, - эмпирические коэффициенты, численные значения которых определены методом наименьших квадратов при аппроксимации измеренных концентраций химических элементов, содержащихся во мхах, функцией q(x) (таблица 2).
1
2
Концентрации химических элементов во мхах, накопленных за время экспозиции, пропорциональны их содержанию в приземном слое атмосферы, поэтому зависимость концентраций химических элементов во мхах от расстояния от источника имеет тот же аналитический вид, что и зависимость содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе [5. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнений атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - С. 32]. Тогда для эмпирических коэффициентов θ, θ справедливы следующие выражения:
g
где V - скорость гравитационного оседания;
1
k - коэффициент пропорциональности вертикальной диффузии;
1
n
n - безразмерный параметр для интерполяции вертикального профиля скорости ветра: u(z)=uz,
1
u - среднегодовая скорость ветра на высоте 1 м;
z - высота от поверхности земли;
Н - высота трубы промышленного предприятия, м.
1
2
Из формул для коэффициентов θ, θ следует выражение для скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы:
Как видно из фиг. 3 и 4, зависимость концентраций химических элементов от расстояния х от источников загрязнения описывается функцией q(x) (сплошная кривая).
1
2
g
1
В таблице 3 приведены значения эмпирических коэффициентов А, θ и θ для разных химических элементов, определенные с помощью метода наименьших квадратов, а также значения скорости гравитационного оседания V частиц выбросов угольной ТЭЦ-5, при u=3,7 м/с, n=0,2 [6. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - С. 28] и высоте трубы ТЭЦ-5 H=260 м.
1
2
g
1
В таблице 4 приведены значения эмпирических коэффициентов А, θ и θ для разных химических элементов, определенные с помощью метода наименьших квадратов, а также значения скорости гравитационного оседания V частиц выбросов Кандалакшского алюминиевого завода, рассчитанные при u=2,3 м/с, n=0,2 [6, с. 28] и высоте трубы КАЗ H=120 м.