15.2. Застосування експресних методів в аналізі забруднень повітря

Виявлення токсичних речовин у повітрі дуже важливе у виробничих приміщеннях. Контроль можна здійснювати портативними газо-визначниками з індикаторними трубками, а можна в безперервному режимі автоматичними пристроями контролю. Завданням контролю не є точне визначення концентрації забруднювача в повітрі, а встановлення, чи перевищує його вміст допустимі норми.

Для аналізу застосовують переносні пристрої з різними індикаторними трубками. Ефективним є застосування індикаторних трубок у пожежо- та вибухонебезпечних приміщеннях.

Принцип роботи приладів для експресного контролю повітря полягає у хемосорбційному заборі проби. Основні переваги методу такі ж як аналізу тест-методами вод та ґрунтів.

Аналіз індикаторними трубками виконується при вмістах речовин у межах 0,5-5,0 ГДК. Індикаторні трубки є двох класів точності. Для трубок класу А і В похибка вимірювання на рівні ГДК і вище становить 25%; на рівні 0,5 ГДК для класу А – 35%, для класу В – 50%. Відтворюваність результатів при визначенні індикаторними трубками коливається в межах 5-10%, але для деяких визначень значно більша – 20-30%. На похибку визначення впливає неоднакова щільність сорбента у трубці пор по всій її довжині. Також значний вплив має коливання температури. Для усунення впливу вологи у повітрі та підвищення селективності перед трубками часто поміщають додаткові сорбційні трубки, якими вловлюють воду та речовини, що заважають визначенню. Індикаторні трубки розраховані на роботу при температурах 15-30С, вологості 30-80% та при тиску 90-104 КПа.

Індикаторна трубка – це переважно герметична скляна трубка, заповнена твердим носієм, насиченим реактивом. На твердий носій (товчений фарфор, силікагель) наносять розчин реактива і висушують. Носій перед заповненням трубки кип’ятять у розчині кислоти (HCl), промивають, прожарюють і подрібнюють до належної дисперсності, так щоб зерна були однакового розміру. Одержаний таким чином наповнювач фіксується прокладками (вата, скловата, тефлонові прокладки). Трубка є або суцільно скляна, або кінець її запаюють розігрітим поліетиленом чи парафіном. Наприклад, трубки довжиною 12,5 см можуть мати зовнішній діаметр 7, 8,2 8,9 мм. Для визначення вмісту О₂ використовують трубку довжиною 24,2 см.

Індикаторні трубки є різних конструкцій: з одним поглинальним шаром; комбіновані з декількома різними поглинальними шарами, розділеними скловатою, спеченим скляним порошком, пористим тефлоном, пластмасовою сіточкою. Іноді дві різні трубки сполучаються між собою еластичними пластмасовими трубками. Якщо ж потрібно під час забору додатково використати речовину в рідкому стані (наприклад розчин H₂SO₄), то рідину поміщають у невеличку скляну ампулу, яка міститься в трубці і має пристрій для розбивання безпосередньо перед використанням. Ампула може міститися у полімерному еластичному шлангу, який сполучає дві частини індикаторної трубки. Згинанням шланга розбивається ампула і рідина потрапляє на насичений реактивом твердий носій.

Часто індикаторну трубку комбінують з іншими трубками:

• фільтруючою – для усунення великих сторонніх частинок. Фільтруючим наповнювачем є шамот, насичений розчином відповідного реактиву.

Наприклад: для вловлювання NH₃ використовують CuSO₄ та барбітурову кислоту (утворюється C₆H₅-NH₂); для вловлювання PH₃ – H₂S; для вловлювання C₆H₆ – AgNO₃+Ag₂SO₄.

• трубкою для осушення;

• трубкою з додатковим реагентом, окисником або відновником.

В індикаторних трубках деяких конструкцій ці додаткові речовини можуть міститися в тій самій трубці у першій її секції, відділеній прокладкою від решти поглинальної речовини.

Концентрацію речовини визначають за зміною інтенсивності забарвлення або за довжиною поширення забарвлення індикаторної речовини.

Для визначення концентрації речовини у повітрі до індикаторної трубки додається відповідна етикетка (рис. 15.1).

Відбір повітря виконують одним ходом пристрою для аспірації проби (100 мл). Якщо після одного ходу забарвлення не досягає 2-ої відмітки на шкалі, то роблять ще 9 стискувань аспіратора і затягують у 10 раз більше проби (разом 1000 мл) повітря. Для того, щоб фронт поширення забарвлення був рівним, рекомендується нерівномірна швидкість забору проби повітря, хоча у деяких пристроях швидкість забору весь час однакова. При нерівномірному заборі проб повітря швидкість спочатку велика і при цьому швидко поширюється фронт зміни забарвлення, а потім швидкість зменшують і фронт поширення забарвлення майже не змінюється. Під кінець забору швидкість дуже мала, забарвлення не поширюється, але вирівнюється лінія забарвлення – стає чіткою і за нею легко можна визначити концентрацію забруднювача. При цьому мусять бути точно витримані вимоги щодо об’єму проби повітря. Якщо фронт поширення розмитий, то вибирають середнє значення між найбільшим та найменшим поширенням. Трубку прикладають до етикетки і за лінією поширення фронту забарвлення зчитують концентрацію речовини у повітрі.

Рис.15.1. Етикетка зі шкалою для визначення ацетону в повітрі.

Для правильної індикації використовують такі індикаторні речовини, які швидко взаємодіють з досліджуваною речовиною.

Трубку перед початком визначення розгерметизовують, відбиваючи її кінець, і не пізніше як за хвилину починають відбір проби повітря. Іноді кінець трубки міститься в гумовому шлангу, при згинанні якого відламується. Кількість повітря мусить відповідати типу індикаторної трубки і типу пристрою до забору проби.

Індикаторні трубки є різні. Для експресного контролю забруднювачів у повітрі використовують трубки короткочасної дії. Якщо необхідно визначити середньозмінну концентрацію забруднювача, то застосовують трубки довготривалої дії. Це може бути трубка, розрахована на відбір повітря протягом 8 год. Але краще використати декілька трубок з тривалістю забору повітря протягом меншого часу, наприклад 2 год, а потім результати усереднити.

Експресний контроль проводять газовизначниками (портативними приладами з ручним забором повітря) та газоаналізаторами промислового виробництва, які містять набір індикаторних трубок, аспіратор, захисну трубку (патрон) для вловлювання речовин, що заважають. Достовірні результати одержують, використовуючи декілька трубок згідно з інструкцією.

Газовизначником зручно визначати низку неорганічних та органічних газуватих речовин у повітрі шахт і рудників. На поверхні індикаторної трубки фарбою нанесена шкала та формула речовини. У газовизначник входять ампули (20 штук) з індикаторним порошком, маса якого повинна бути однаковою (41  г), та біля 10 ампул з поглинаючою речовиною для очистки від сторонніх домішок.

Забір проби повітря у газовизначнику можна провести ручним міховим сильфонним насосом (рис. 15.2 а) або ручним поршневим насосом (15.2 б). В газоаналізаторах застосовують сильфонний пристрій, показаний вище (рис. 8.5, розділ 8.2).

У ручному сильфонному аспіраторі (рис.15.2 а) механічно стискають пружини всередині сильфона. При цьому з камери витискається повітря і створюється розрідження. У верхній стінці аспіратора герметично під’єднують індикаторну трубку, через яку після відпускання пружини проходить повітря у ємність. Для забору проби повітря виконують декілька стисків пружини.

а	Рис.15.2. Пристрої для забору проби повітря у газовизначниках та газоаналізаторах: ручний сильфонний аспіратор АМ-5 (а), ручний поршневий насос Кітагави (б)
б

Ручний поршневий насос (рис. 15.2 б) складається з металічного циліндра, всередині якого переміщається важкий латунний поршень. Індикаторну трубку під’єднують до патрубка. Повітря через трубку проходить рівномірно з оптимальною швидкість. Рухом поршня до основи циліндра витискають повітря з камери, після цього відтягуванням поршня через індикаторну трубку пропускають певний об’єм повітря. Об’єм засмоктаного повітря через трубку можна відчитати за показами на штоці поршня. Є поршневі насоси інших конструкцій, якими можна визначити кількість ходів поршня.

У сильфонному аспіраторі, показаному на рис. 8.5 (розділ 8.2) стиснена пружина підтримує гумовий сильфон у розтягненому стані.

Штуцером під’єднані гумові трубки – всередині і ззовні камери, до зовнішньої частини трубки підключають індикаторну трубку. Спочатку штоком максимально стискають сильфон, при цьому в камері створюється розрідження до 31430 ГПа, а тоді під’єднують індикаторну трубку. Відпускають сильфон і тоді повітря проходить через трубку. Для визначення об’єму увібраного повітря на штоці є канавки, переміщення штока між якими точно відповідає певному об’єму повітря. Таким сильфонним аспіратором можна відібрати порції повітря по 100 см³ загалом до 400 см³. Похибка забору проби повітря не перевищує 5%.

Газоаналізатор має комплект індикаторних та захисних трубок (рис.15.3), а може містити набір (рис.15.4), з якого виготовляють індикаторні трубки.

	Рис.15.3. Фільтрувальні патрони: 1 – без мітки, 2, 3 – з мітками	Рис.15.4. Пристрої для виготовлення індикаторних трубок

Якщо трубки були у користуванні, то їх миють, просушують і зберігають в ексикаторі.

У кінець підготовленої індикаторної трубки вставляють ватний тампон, ущільнюють його, лійкою засипають індикаторний порошок, який теж ущільнюють стержнем і зверху закривають другим тампоном. Довжина шару індикаторного порошку повинна відповідати мітці на стержні. Кінці індикаторної трубки заклеюють розплавленим поліетиленом та парафіном. Решту невикористаного порошку переносять в пусту ампулу і відразу її запаюють. Аналогічно готують патрон для поглинання сторонніх речовин.

Перед початком роботи індикаторні трубки витримують 30 хв для досягнення температури навколишнього середовища.

Приклади визначень речовин у повітрі експресним методом

• CO (510^-4-5%).

Пару пропускають чepeз йодато-крохмальну суміш, якою заповнена індикаторна трубка. Відбувається взаємодія, в результаті якої виділяється йод:

5CO+2KJO₃+H₂SO₄=5CO₂+J₂+H₂O+K₂SO₄,

і трубка забарвлюється у тeмно-синій колір.

При визначенні СО застосовують захисну трубку від вуглеводнів.

• NO+NO₂ (110^-4-510^-3%)

Пару пропускають через трисекційну трубку. У першій секції, яка містить йодид-крохмальну суміш, відновлюється NO₂, а виділений йод забарвлює суміш у темно-синій колір. Так визначають вміст NO₂ у повітрі:

2NO₂+8KJ+4H₂SO₄=N₂+4H₂O+4K₂SO₄ +4J₂.

Через цю секцію проходить NO, потрапляє у другу секцію з перманганатом та сульфатною кислотою в ампулі і окислюється до NO₂:

5NO+2KMnO₄+3H₂SO₄=5NO₂+2MnSO₄+K₂SO₄+3H₂O.

Одержаний у другій секції NO₂ потрапляє у третю секцію, яка, аналогічно до першої, заповнена йодид-крохмальною сумішшю. Відбувається та сама реакція, що й у першій секції. Так визначають вміст NO у повітрі.

• SO₂ (210^-4-710^-3%). Перед визначенням вловлюють воду, ацетон, бензол,

оксиди нітрогену, H₂S, NH₃, H₂SO₄, застосовуючи захисні трубки.

Пару пропускають через йодо-крохмальну суміш синього кольору в індикаторній трубці. У результаті відновлення йоду трубка біліє:

SO₂+J₂+H₂O=SO₃+2HJ.

• COCl₂. Повітря пропускають через індикаторну трубку, яка містить

п-диметиламінобензальдегід та діетиламін.

• H₂S. Повітря пропускають через індикаторну трубку, що містить сполуки

Hg²⁺_. Відбувається взаємодія

Hg²⁺ + H₂S = HgS + 2H⁺.

Поширення фронту почорніння трубки внаслідок утворення HgS дає можливість оцінити вміст гідрогенсульфіду.