Методика регистрации наноаэрозольных частиц, для определения концентраций аммиака в воздухе

УДК 3373:355.58 + 614.8

Г.И. Колтышева, И. Т. Притыченко

МЕТОДИКА РЕГИСТРАЦИИ НАНОАЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ, ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ АММИАКА В ВОЗДУХЕ

Данная статья посвящена конструкции аэрозольно-ионизационного детектора и методу определения концентрации аммиака в воздухе с использованием этого детектора.

Ключевые слова: аммиак, аэрозоль, газоанализатор, аэрозольно-ионизационный метод, детектор, наночастицы.

G. Koltysheva, I. Pritychenko

REGISTRATION PROCEDURE OF NANOAEROSOL PARTICLES FOR TEST METHOD OF AMMONIA CONCENTRATION IN THE AIR

The article deals with the aerosol and ionization detector construction and test method of ammonia concentration in the air.

Keywords: ammonia, aerosol, gas analyzer, aerosol and ionization method, detector, nanoparti-

cles.

На современном этапе одной из актуальных проблем человечества является сохранение и охрана окружающей среды. Однако прогресс в области обеспечения чистоты производственной и окружающей воздушной среды обеспечивается медленнее, чем в области технологи и, как следствие, в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ.

В результате того, что производственная и внешняя воздушные среды связаны между собой через промышленную вентиляцию, загрязнение атмосферы неизбежно сказывается на увеличении содержания вредных веществ в воздухе цехов.

Это приводит к необходимости решения многих практических, экологических и санитарных задач, одной из которых является анализ веществ загрязняющих воздух. Одним из наиболее токсичных веществ является аммиак, предельно допустимая концентрация которого составляет 0,02 мл/л в воздухе рабочей зоны.

Необходимо отметить, что наряду с токсическими аммиак обладает и взрывоопасными свойствами, он относится к горючим газам 4 класса опасности (ГОСТ 12.1.005- 88).

Очень часто превышение допустимых концентраций происходит неожиданно, в связи с чем остро встает вопрос контролирования концентрации аммиака в воздухе. Решение данной проблемы требует разработки чувствительных скоростных аналитических методов для идентификации и определения концентраций микропримесей различных веществ в газовых смесях.

Комплексу этих требований удовлетворяют ионизационные методы газового анализа, одним из которых является аэрозольно-ионизационный метод.

Сущность этого метода, состоит в том, что контролируемый компонент газовой смеси избирательно и количественно переводится в аэрозольное состояние, а затем образовавшиеся наноа-эрозольные частицы детектируются в ионизационной камере с радиоактивным источником ионизации [1].

Чувствительность ионизационной камеры с радиоактивным источником ионизации к наноа-эрозольным частицам, как показали наши эксперименты, превосходит чувствительность к аналогичным весовым количествам газов, не переведённых в аэрозоль, в 103 - 104 раз.

Всё это послужило толчком к созданию аэрозольно-ионизационных газоанализаторов.

В настоящее время, для контроля за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны, с целью предотвращения загрязнений окружающей среды, используют аэрозольно-ионизационные газоанализаторы, показанные на рис. 1 [3].

38 _

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'1

Рис. 1. Аэрозолъно-ионизационные газоанализаторы

Из рисунка видно, что нет ни одного аэрозольно-ионизационного газоанализатора, определяющего концентрацию аммиака. В связи с чем представлялось целесообразным исследовать возможность создания малогабаритного аэрозольно-ионизационного детектора аммиака, пригодного для использования в рабочей зоне с целью предотвращения ЧС.

В результате исследований, проводимых на кафедре химии и материаловедения, под руководством профессора Пушкина И.А. была предложена конструкция детектирующего устройства, внешний вид которого показан на рис. 2

2

Рис. 2. Внешний вид детектора: 1 - камера-дозатор реагента; 2 - ионизационная камера; 3 - система газовых каналов

Детектор представляет собой проточную ионизационную камеру. Внутреннее строение ионизационной камеры показано на рис. 3. Ионизационная камера снабжена источником ионизации, расположенным на боковой стороне цилиндрического корпуса (1). Во внутренней полости детектора располагается собирающий электрод (2).

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'1

Рис. 3. Внутреннее строение ионизационной камеры: 1 - источник ионизации; 2 - собирающий электрод; 3 - сопло; 4 - дефлектор

По оси дефлектора на некотором расстоянии от измерительного электрода смонтировано сопло для поступления паров аэрозолеобразующего реагента в рабочем объёме детектор (3). В реакционном объёме находится дефлектор наночастиц аэрозоля, который служит для организации аэродинамики камеры и препятствованию осаждения аэрозоля на элементах детектора (4) [2].

Однако для определения работоспособности и надежности любых технических средств требуется надежный и достаточно простой в эксплуатации дозирующий комплекс, обеспечивающий заданную концентрацию исследуемого вещества, в необходимом объёме и интервале времени, что, как известно, является непростой задачей. Для решения этой задачи нами была создана лабораторная динамическая установка, внешний вид которой показан на рис. 4.

V

Воздух из атмосферы

Рис. 4. Динамическая лабораторная установка

Установка представляет собой: затравочную ёмкость (поз. I), детектор (поз. II), фильтр очистки (поз. III), насос (поз. IV) и термометр (поз. V).

Из рис. 4 видно, что воздух из атмосферы поступает в затравочную ёмкость, где насыщается заданной концентрацией аммиака, откуда потом поступает в соответствующее отверстие детектора (поз. II - 2). Туда же по внутренним канальцам из камеры-дозатора детектора поступают па-

40 -

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'1

ры 20 % раствора соляной кислоты, которые являются реагентом на аммиак. В результате этого в смесителе детектора образуются наноаэрозольные частицы хлорида аммония, которые затем потоком газа вносятся в реакционный объём ионизационной камеры детектора, где взаимодействуют с ионами воздуха и осаждают их на своей поверхности, что показано на рис. 5.

Рис. 5. Сущность аэрозольно-ионизационного метода

Поскольку подвижность таких кластеров меньше подвижности гидратированного протона, величина ионизационного тока уменьшается, что регистрируется термометром (поз. V). Выходящий газ, прошедший предварительную очистку в поглотительной колонке (поз. III), отсасывается насосом (поз. IV), в результате чего в ионизационной камере детектора создаётся разряжение, необходимое для прохождения анализируемого потока газа через ионизационный детектор.

Таким образом, по изменению ионизационного тока можно установить наличие в воздухе примесей - веществ, имеющих полярные молекулы, в частности, токсичных веществ при достаточно малых концентрациях.

Контроль за созданной концентрацией аммиака в затравочной ёмкости осуществлялся фотоколориметрическим методом. Для этого была создана лабораторная установка, которая показана на рис. 6.

3

2

Воздух из атмосферы

М

Фильтровальная бумага

Анали-зируе-

1

Рис. 6. Экспериментальная лабораторная установка: 1 - затравочная ёмкость; 2 - гусёк с дистиллированной водой; 3 - насос

Как видно из рис. 5, созданная концентрация аммиака из затравочной ёмкости (1) поступает в гусёк (2), предварительно заполненный безаммиачной дистиллированной водой. В процессе бар-ботажа вода насыщалась аммиаком, после чего данная проба переносилась в колбу и анализировалась

Анализ проводился фотоколориметрическим методом согласно ГОСТ 4192-82 «Вода питьевая» [4]. Для чего сначала строили градуировочный график, по которому потом определяли правильность созданной концентрации. Градуировочный график показан на рис. 7.

- 41

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'1

Ход эксперимента показан на рис. 8.

Рис. 8. Блок-схема эксперимента

Таким образом, исследована возможность перевода аммиака в наноаэрозольное состояние. На основе аэрозольно-ионизационного метода предложены: способ определения образующегося аэрозоля; техническое средство обнаружения и измерения количества образующегося аэрозоля.

Литература

1. Богород И.И., Бонн А.Я., Дробиз А.М., Пушкин И.А., Ермак М.К. «Ионизационные методы контроля загазованности воздуха» // журнал Всероссийского химического общества им. Д.И. Менделеева, т. XV, № 5, 1970.

2. Колтышгева Г.И. «Аэрозольно-ионизационный метод газового анализа» // журнал «Мир и безопасность». - 2005. № 3. С. 22 - 23.

3. Колтышгева Г.И. К вопросу о современном средстве индикации аммиака в России / Сборник материалов научно-практическая конференции «Научная работа Академии: состояние, итоги, перспективы развития». Новогорск, 2004.

4. Государственный контроль качества воды. - М.: ИПК издательство стандартов, ГОСТ 4192-82 «Вода питьевая», 2003. С. 395.

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'1