Свойства аэрозольных частиц и защита атмосферы от пыли
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Российский университет транспорта
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 38
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
Артикул: 786985.01.99
Учебно-методическое пособие направлено на закрепление знаний об условиях образования и свойствах аэрозольных частиц, приобретение умений и навыков экспериментального определения концентрации, дисперсного состава и некоторых физико-химических свойств частиц пыли в рамках формирования профессиональной компетенции (ПК-4) «Способность к проведению экспериментов по заданной методике, обработке и анализу полученных результатов с привлечением соответствующего математического аппарата» для бакалавров направления подготовки 13.03.01. «Теплоэнергетика и теплотехника». Может быть использовано при подготовке бакалавров по направлению 20.03.01. «Техносферная безопасность».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» ________________________________________________________ Институт транспортной техники и систем управления Кафедра «Теплоэнергетика железнодорожного транспорта» А.С. Селиванов, Л.А. Воронова СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ И ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ПЫЛИ Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по дисциплине «Источники загрязнений и технические средства защиты окружающей среды» Москва – 2018
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» ________________________________________________________ Институт транспортной техники и систем управления Кафедра «Теплоэнергетика железнодорожного транспорта» А.С. Селиванов, Л.А. Воронова СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ И ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ПЫЛИ Учебно-методическое пособие для бакалавров направления подготовки 13.03.01. «Теплоэнергетика и теплотехника». Москва – 2018
УДК 621.18 С 29 Селиванов А.С., Воронова Л.А. Свойства аэрозольных частиц и защита атмосферы от пыли: Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по дисциплине «Источники загрязнений и технические средства защиты окружающей среды». – М.: РУТ (МИИТ), 2018. – 38 с. Учебно-методическое пособие направлено на закрепление знаний об условиях образования и свойствах аэрозольных частиц, приобретение умений и навыков экспериментального определения концентрации, дисперсного состава и некоторых физико-химических свойств частиц пыли в рамках формирования профессиональной компетенции (ПК-4) «Способность к проведению экспериментов по заданной методике, обработке и анализу полученных результатов с привлечением соответствующего математического аппарата» для бакалавров направления подготовки 13.03.01. «Теплоэнергетика и теплотехника». Может быть использовано при подготовке бакалавров по направлению 20.03.01. «Техносферная безопасность». Рецензент: доцент кафедры «Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы» РУТ (МИИТ) канд. техн. наук И.В. Трошко © РУТ (МИИТ), 2018
ВВЕДЕНИЕ Твердые и жидкие частицы, витающие в промышленном газе (или воздухе), представляют собой аэродисперсную систему, в которой пылинки, капельки – это дисперсная фаза, а газы, либо воздух – дисперсионная среда. Частицы с размером > 0,1 мкм, витающие в газе, образуют с ним аэровзвесь, если размер частиц < 0,1 мкм – то коллоидный аэрозоль, который можно рассматривать как наносистему. Аэровзвеси по происхождению подразделяются на естественные ( песчаные бури, лесные пожары, вулканическая деятельность) и искусственные (вид отходов производства). Аэровзвесь с твердыми частицами исторически называют пылью. Пыль может быть органическая (мучная, табачная), неорганическая и смешанная. Неорганическая пыль может быть минеральной (кварцевая, силикатная, цементная и др.) и металлической ( цинковая, медная, железная, свинцовая). По способу образования аэродисперсные системы делятся на дисперсионные и конденсационные. Первые образуются при дезинтеграции твердых тел (дробление, измельчение) и диспергировании ( распылении) порошков и жидкостей. Аэрозоли конденсации образуются при объемной конденсации пересыщенных паров (возгоны плавления, электросварки) и при химическом взаимодействии в газовой фазе (2NH3+H2O+SO3 = (NH4)2SO4тв). Пыли образуются дисперсионным способом и представляют собой грубодисперсные, малоустойчивые аэрозоли. Состоят из частиц неправильной формы с размером от 0,1 до 100- 150 мкм и более. Дымы образуются конденсационным способом. Это устойчивые аэрозоли, с твердыми частицами правильной кристаллической или сферической формы размером 0,1 мкм и менее. Первичные частицы дыма при столкновении часто слипа-
ются в рыхлые агрегаты произвольной формы, с размером до 5 мкм. Туманы могут образоваться как конденсационным, так и дисперсионным способом. В капельках тумана сферической формы могут содержаться растворенные или суспензированные твердые частицы. Основной источник антропогенных (искусственных) аэрозолей и аэровзвесей - процесс горения топлив. Энергетика (тепловые электростанции, сжигающие высокозольный уголь, углеобогатительные фабрики) и транспорт дают 2/3 общего количества выбросов твердых частиц. За ними следуют метал- лургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Как известно, объем дымовых газов образуют продукты полного (СО2 , SО2, Н2О) и неполного (в основном СО, немного Н2, СmНn) сгорания горючих элементов топлива, а также кисло- род О2 и азот N2 избыточного воздуха. Прочие газы (NOх, HCl, HF, Cl2, H2S, HCHO, NH3, HCN и др.), многие из которых токсичны, наблюдаются в дыме на уровне микропримесей. При сжигании твердого и жидкого топлива в окружаю- щую среду поступают твердые продукты сгорания. К ним от- носят летучую золу и коксовый остаток. Летучая зола- часть золы топлива, уносимая из котла дымовыми газами. При слое- вом сжигании топлива доля уноса золы составляет 10-20%, ос- новная часть зольности топлива удаляется из котла в виде зо- лошлаковых остатков, некоторое количество оседает на по- верхностях нагрева. В случае камерного сжигания угольной пыли доля золы топлива в уносе аун = 0,9…0,95. В составе золы, кроме основных компонентов (SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, сульфаты, хлориды) со- держится большое количество токсичных микропримесей, в ос- новном оксидов тяжелых металлов V,Cr, Mn, Co, Ni, Ti, Cu, Zn, Pb, Hg, U. Содержание этих оксидов в летучей золе углей, тор- фа достигает многих десятков и сотен г/т золы.
Мазутная зола в основном состоит из оксидов металлов, и иногда в ней содержится до 25% пятиокиси ванадия V2O5 (по- ловина его содержится в частицах с размером до 15 мкм). Коксовый остаток (недогоревшие частицы) при сжига- нии твердого топлива и частицы сажи при сжигании мазута - это продукты механического недожога топлива. Сажеобразование в топках котлов тесно связано с кон- струкцией топочно-горелочного устройства и режимом горения топлива. Частицы сажи (чешуйчатого углерода размером 0,06…0,5 мкм) появляются в пламени при термическом разло- жении органических веществ топлива. Частицы сажи переме- щаются со скоростью газов, а подвод кислорода к ним осу- ществляется молекулярной диффузией. Горение сажистых ча- стиц в диффузионной области часто затягивается, и даже пол- ностью прекращается при омывании пламенем холодных по- верхностей. Это явление нередко наблюдается в котельной практике, когда при наличии в дымовых газах кислорода на по- верхностях нагрева обнаруживается сажа. Частицы сажи слипаясь, образуют рыхлую структуру с развитой поверхностью. Сажа хорошо сорбирует токсичные и канцерогенные вещества, в частности бензапирен С20Н12 (тем- пература фазового перехода пар – твердое тело по разным дан- ным 136…170 оС). Средние и крупные частицы сажи и золы (> 3 мкм) за- грязняют поверхности нагрева котлов, здания, оседают на ли- стьях растений. Мелкие частицы (0,01-3 мкм) витают в воздухе, переносятся на большие расстояния. Они уменьшают види- мость, проникают в дыхательные пути человека и частично оседают в легких.
Лабораторная работа 1 Определение концентрации пыли в воздухе Содержание любых загрязняющих веществ в атмосферном воздухе или в отходящих газах технологической установки ха- рактеризуют концентрацией. Массовая концентрация С, мг/м3 – масса загрязняющего вещества в 1 м3 воздуха (газа), приведенного к нормальным фи- зическим условиям (давление 101325,3 Па, температура 0 оС). Удобно оперировать объемной концентрацией I загрязня- ющего вещества, выраженной в «частях на миллион» (ppm). При этом: 1ppm = 1 см3/м3 = 10-6 м3/м3 = 10-4 % об. Массовую концентрацию по известной объемной вычисляют по выраже- нию: о I C ; где ρо – плотность загрязняющего вещества при нормальных физических условиях, кг/м3 . Для контроля состояния атмосферного воздуха установле- ны гигиенические нормативы его качества, а именно предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в воздухе населенных мест: максимально- разовая (ПДКмр) и среднесуто- чная (ПДКсс). Значения ПДК, необходимые при контроле в воздухе «твердых» выбросов котельной приведены в табл. 1. Наибольшая, измеренная концентрация C (время осредне- ния 20-30 мин) каждого загрязняющего вещества не должна превышать предельно-допустимой максимальной разовой кон- центрации, т.е. мр ПДК C Если измерена среднесуточная концентрация, то сравне- ние производят с ПДКСС. При одновременном содержании в воздухе нескольких веществ однонаправленного действия должно выполняться условие:
i i i ПДК C 1 Таблица 1 ПДК загрязняющих веществ в воздухе населенных мест Загрязняющее вещество ПДКмр мг/м3 ПДКсс мг/м3 Класс опасности 3,4-бензапирен С20Н12 - 10-6 1 Ванадия пятиоксид V2O5 - 0,002 1 Сажа 0,15 0,05 3 Пыль неорганическая (SiО2 < 20%) (20 < SiО2 < 70%) 0,5 0,3 0,15 0,1 3 3 Для определения концентрации пыли в воздухе преиму- щественно используется гравиметрический метод (прямые из- мерения). Метод применяется для определения разовых и сред- несуточных концентраций пыли в воздухе населенных пунктов и санитарно-защитных зон в диапазоне 0,04…10 мг/м3. Есть также группа косвенных методов измерения запы- ленности, как с выделением пыли из газа (радиоизотопный, оптический, пьезоэлектрический), так и без предварительного осаждения пыли (акустический, оптический, электрический методы). Анализирующие приборы (измерители концентрации, пылемеры) позволяют отбирать и сразу анализировать пробу воздуха косвенным методом. Результаты высвечиваются на дисплее, а также могут быть записаны в память прибора или распечатаны. В качестве достоинств этих приборов отметим быстроту получения данных (0,5…2 мин) и возможность рабо- ты в непрерывном режиме измерений. В соответствии с ГОСТ 17.2.4.05-83 , ГОСТ Р50820-95 при проведении градуировки и
поверки анализаторов пыли, а также в качестве арбитражного следует использовать весовой гравиметрический метод, Определение концентрации пыли в воздухе гравиметриче- ским методом предусматривает: - отбор некоторого объема воздуха (газа) с сохранением концентрации пыли; - измерение общего объема отобранной пробы; - полное улавливание пыли в объеме пробы и измерение ее количества. Если концентрирование загрязнений не требуется, пробы отбирают в стеклянные шприцы, газовые пипетки, полиэтиле- новые мешки известной вместимости. При анализе воздуха с низкой запыленностью используют аспиратор, который прогоняет воздух с постоянным расходом через накопитель пыли (фильтр). Общий объем пробы опреде- ляется произведением расхода воздуха на продолжительность отбора. Количество уловленной пыли определяют по увеличе- нию массы фильтра. Обычно применяют перхлорвиниловые аналитические фильтры аэрозольные АФА-ВП-10 (или 20; число указывает на площадь фильтра Fф, в см2). Фильтры улавливают частицы раз- мером dч ≥ 0,1 мкм при удельной воздушной нагрузке до 7 л/мин∙см2 со степенью очистки η = 0,999. Удельная пылеем- кость фильтра АФА-ВП порядка 2,5 мг/см2. Фильтры изготовлены из тонких волокон, которые легко отделяются, могут остаться на пальцах или фильтродержателе. Фильтры нельзя складывать один на другой. Поэтому для ис- ключения потери массы фильтров целесообразно их сразу вставлять между бумажными кольцами, с которыми и взвеши- вать. После взвешивания на весах с точностью ±0,0001 г каж- дый фильтр нумеруют (цифра на «ручке» колец) и помещают в отдельный пакет. Фильтр соединяют с аспиратором с помощью фильтродержателя (аллонжа) и резиновой трубки (рис. 1).
Рис. 1. Фильтр АФА-ВП и фильтродержатель ИРА: 1 – фильтродержатель ИРА, 2 – фильтр АФА в бумажных кольцах, 3 – фильтр с кольцами в фильтродержателе Оборудование, реактивы, материалы: 1) фильтры АФА-ВП в кольцах; 2) фильтродержатель, ас- пиратор; 3) эксикатор, пинцет; 4) аналитические весы, чашки стеклянные Ø10 см; 5) барометр, психрометр, анемометр. Ход работы Рабочий фильтр в кольцах, выдержанный 30 мин на воз- духе лаборатории (в эксикаторе), взвешивают, нумеруют, по- мещают в пакет. Аналогично подготавливают n=3 контрольных фильтра, пробный фильтр не взвешивают. Аспиратор и филь- тры доставляют на место отбора проб. Пробный фильтр вставляют в фильтродержатель, уже присоединенный к аспиратору ПУ-2Э. Проверяют герметич- ность (при закрытом входном отверстии фильтродержателя включают аспиратор – расходомер должен показывать ноль). Устанавливают по реометру расход воздуха v ≤ 7∙ Fф л/мин. Выключают аспиратор и вставляют в фильтродержатель рабочий фильтр вместо пробного, контрольные фильтры распо- лагают вблизи аспиратора. Включают аспиратор и проводят от-