8 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

До сих пор мы почти ничего не сказали о природе содержащихся в атмосфере частиц, кроме того что они малы по размерам и многочисленны. Читатель вправе спросить: «Насколько малы? Из чего состоят? Откуда вы обо всем этом знаете?» И мало ли какие еще вопросы можно задать ученому, занимающемуся атмосферными аэрозолями!

Главную часть сведений о свойствах атмосферных аэрозолей ученые получают, отбирая пробы воздуха и исследуя их в лаборатории. Захватить в плен крохотную частицу не так уж просто. Для этого был предложен целый ряд способов. ‘Некоторые из них оказались успешными и сейчас широко применяются; от ряда других со временем пришлось отказаться.

Легко понять, что для каждого конкретного случая наилучший метод сбора проб будет до некоторой степени зависеть от размеров собираемых частиц. Мелкую рыбу не ловят на большой крючок. Вылавливание относительно крупных частиц, имеющих поперечник больше примерно 0,5 мк,— дело сравнительно простое, и здесь применимо большое число методов. Когда же поперечник частиц равен 0,1 мк или даже меньше, то круг пригодных для их сбора средств заметно сужается.

Фильтрация

Один из самых старых способов отделить крупные предметы от более мелких состоит в применении сит или фильтров. Именно так отделяют гравий от песка, кофейную гущу от жидкости. Наиболее существенно во всяком фильтре то, что все частицы размером меньше заданного свободно проходят через фильтр, а более крупные задерживаются. Необходимо лишь сообразовывать размер отверстий (или, как говорят, пор) фильтра с размером и числом частиц, которые надо отфильтровать.

Довольно часто у ученых или инженеров возникает потребность узнать, сколько в точности частиц того или иного типа содержится в кубическом метре воздуха. Если имеются основания думать, что размер частиц намного превышает 1 микрон, то для этого можно воспользоваться обычным матерчатым фильтром. Через фильтр прогоняют определенный объем воздуха, после чего в химической лаборатории фильтрующую ткань вынимают и взвешивают. Зная предварительно вес чистой ткани, легко вычислить, каков вес собранных на фильтре твердых примесей.

Для определения химического состава аэрозолей можно использовать те же аналитические методы, которые обычно применяют для анализа, когда вещество имеется в достаточно большом количестве — что-нибудь порядка небольшой щепотки.

Однако такие методы не дают возможности узнать, находилось ли в атмосфере относительно небольшое число очень крупных частиц или же много большее число мелких. Когда требуется узнать размеры отдельных частиц, то можно воспользоваться специальным фильтрующим устройством, которое носит название мембранного фильтра. Такой фильтр изготавливается из смеси волокон нитроцеллюлозы с ацетатными. Как мы увидим дальше, этот материал обладает некоторыми интересными свойствами. Один из распространенных типов мембранных фильтров получил название «Миллипор». Чаще всего такой фильтр изготовляется из материала, имеющего диаметр пор 0,1 — 0,3 мк. Поры равномерно распределены по всей поверхности фильтрующего материала. Этот материал белого цвета и по внешнему виду похож на папиросную бумагу, но на самом деле большую часть его объема составляют поры. Волокна этого материала очень тонкие, так что около 80% его поверхности занимают норы. Однако при всем том волокна расположены настолько близко друг к другу, что воздушные промежутки между ними совершенно не видны. Когда сквозь фильтр «Миллипор» прокачивают воздух, то улавливаются все частички, у которых размер больше диаметра пор. Понятно, что если работать с фильтром недостаточно осторожно, то можно, пропустив через него слишком много загрязненного воздуха, совершенно засорить все поры. С другой стороны, если объем прокачиваемого воздуха слишком мал, то на фильтре окажется недостаточное число частиц.

После того как сбор частиц закончен, можно с помощью различных методов исследовать их свойства, измерить размеры и, если требуется, определить химический состав. Иногда природу частиц удается определить прямо при микроскопическом исследовании по их форме, кристаллическим свойствам или цвету. В других случаях требуются какие-то химические исследования. Аналитические методы, используемые для определения свойств таких частиц, называются методами капельного анализа.

Осаждение

Нередко бывает нужно найти общее количество твердых частиц, выпадающих из атмосферы. Проще всего накопить частицы, а потом определить их общее количество и размеры с помощью пробоотборных пластин или сосудов2. Открытые сосуды или пробоотборные пластины оставляют на открытом воздухе, там где требуется узнать загрязненность воздуха, и какое-то время их не трогают. При таком методе исследователю не надо охотиться за частицами — они сами идут к нему.

Для определения количества твердого вещества, выбрасываемого в атмосферу трубами нефтеперерабатывающих заводов, электростанций и прочих источников пыли и копоти, пробоотборные сосуды располагают с подветренной стороны от источника загрязнения и оставляют их на довольно длительный срок (обычно около месяца). Пробоотборные сосуды стоят недорого, так что их можно устанавливать сразу по многу штук. По окончании заданного срока тщательным взвешиванием определяют количество полученного осадка. Получив нужные данные, можно, например, определить эффективность действия дымоуловителя на заводской трубе. Метод пробоотборных сосудов широко применяют многие организации, занимающиеся вопросами промышленных загрязнений атмосферы, в том числе санитарная инспекция Федеральной службы здравоохранения.

Может показаться, что частицы пыли, дыма и золы выпадают из атмосферы в таких малых количествах, что их нельзя определить столь грубым методом. На самом деле, однако, наблюдения показывают, что в таких крупных городах, как Нью-Йорк, Чикаго или Детройт, на каждый квадратный километр ежемесячно выпадает свыше 400 кг твердых осадков. При некоторых особо неблагоприятных условиях это количество может увеличиваться более чем вдвое. Жители любого большого города прекрасно осознают тот печальный факт, что почти все время на них сыплется с неба непрерывный поток всякой дряни. Проблемы выпадения твердых осадков могут казаться не заслуживающими серьезного внимания жителям сельских местностей или маленьких городов со слабо развитой промышленностью, но не тем, кто живет в большом городе, где к вечеру на стеклах и крышах автомашин собирается слой копоти, становится грязной одежда и приходится по многу раз в день умываться.

Мы рассказали о том, как с помощью пробоотборных сосудов определяют общий объем выпадающих из атмосферы аэрозолей. Если же для последующего изучения нужны отдельные частицы аэрозоля, то их улавливают на стеклянные или пластмассовые пластины, покрытые клейким веществом. Это вещество удерживает попавшие на пластину частицы, так что в дальнейшем их можно подробно исследовать.

Когда частицы имеют размер меньше чем примерно 1 мк, то вероятность их попадания на пробоотборное стекло оценить очень трудно. Поскольку такие частицы движутся в основном по ветру, вероятность очень мала и к тому же сильно изменяется во времени. Отсюда следует, что если желательно определить удельное содержание очень мелких частиц в атмосферном воздухе, то следует опираться на какую-то другую методику их отбора.

Можно использовать для этой цели относительно простую отстойную камеру, которая представляет собой кубический ящик со стороной около 0,5 м. Внутри камеры на каждой из шести ее стенок устанавливают по нескольку (обычно четыре) пробоотборных пластин. Затем в камеру под небольшим давлением закачивают воздух, закрывают ее и дают воздуху отстояться в течение 12—24 час. Все это время содержащиеся в воздухе частицы двигаются во всех направлениях, в том числе и к стенкам камеры, так что, естественно, часть из них оседает на пластинах. Зная площадь пластин и стенок, можно вычислить общее число частиц в объеме камеры.

Если камера имеет плохую теплоизоляцию или последняя вовсе отсутствует, то распределение осажденных частиц по отдельным пластинам может отличаться от ожидаемого. Часто, например, оказывается, что к крышке камеры прилипло почти столько же частиц, сколько к нижней стенке. Главную причину этого надо искать в появлении внутри камеры так называемых конвективных потоков воздуха. Они возникают из-за того, что стенки камеры имеют разную температуру. При этом неравномерно нагретый воздух приходит в движение, так как более теплый воздух поднимается кверху, а более холодный опускается вниз. Очень мелкие (размером в доли микрона) частицы движутся вместе с воздухом во всем объеме камеры, кроме слоя вблизи стенок, где в силу небольшого различия между скоростью воздуха и скоростью частиц последние могут ударяться о стенки и прилипать к одной из пластин. Не приходилось ли вам замечать, что над радиаторами центрального отопления или вентиляционной трубой, по которой идет горячий воздух, потолок грязнее, чем в других местах? Это явление также вызывается теплым воздухом, который подымается конвективным потоком и несет с собой частицы, прилипающие к более холодному потолку. Может показаться, что здесь мы противоречим сказанному выше (гл. I) насчет относительной величины загрязнения у теплых и у холодных стен, но в данном случае действует совсем другой фактор. Конвективный поток воздуха переносит к потолку увеличенное по сравнению с обычным число загрязняющих частиц.

Инерционные уловители

Для сбора частиц с поперечником больше примерно 0,5 мк можно воспользоваться совершенно другими пробоотборными устройствами, которые называются импакторами или импинджерами. Действие этих устройств основано на том, что частицы наталкиваются на стеклянную, пластмассовую или металлическую поверхность.

Принцип работы так называемого одноступенчатого импактора показан на рис. 6. С помощью насоса (на практике его роль иногда выполняет обычный пылесос) в импактор через впускную трубку засасывают содержащий исследуемые частицы воздух. Впускная трубка заканчивается тонким коническим соплом. Его минимальный диаметр может быть около 0,02 мм, по нередко используют сопла в 5—10 раз большего диаметра — это зависит от размера отбираемых частиц. Когда воздух проходит через сопло, его скорость очень сильно возрастает. В некоторых случаях она может достигать скорости звука. Ударяясь о поверхность стеклянной или пластмассовой пластинки, которая расположена в нескольких десятых миллиметра от края сопла, воздух, как это показано на рис. 6, растекается во все стороны. Частицы стремятся следовать за

Схема одноступенчатого импактора

Схема одноступенчатого импактора

потоком воздуха, но поскольку они довольно инерционны, то не могут двигаться в точности так же, как воздушный поток. Это особенно проявляется в тех точках, где поток воздуха резко искривляется. В результате частицы движутся поперек воздушного потока, ударяются о пластинку и прилипают к ней. В тех случаях, когда отбираются пробы крупных частиц аэрозоля, пластинку покрывают слоем клейкого вещества, на котором они и удерживаются.

При конструировании импактора его рассчитывают на определенное сочетание следующих переменных факторов: а) размера сопла, б) расстояния между краем сопла и пластинкой и в) скорости воздуха. Легко понять, что чем меньше размер собираемых частиц, тем меньше должны быть размер сопла и расстояние и тем больше скорость воздуха.

В начале этого подраздела мы отметили, что инерционные пробоотборные устройства целесообразно применять в тех случаях, когда размер частиц больше примерно 0,5 мк. Частицы меньших размеров продолжают следовать за потоком воздуха даже при чрезвычайно высоких скоростях и изломах потока под углом до 90°.

При работе с импактором важно знать, какая доля поступающих через сопло частиц того или иного размера останется в импакторе. Эту долю частиц выражают с помощью так называемого коэффициента отбора. Он равен отношению числа задержанных частиц данного размера к их общему числу на впускном сопле. Величину коэффициента отбора можно вычислить, но в большинстве случаев ее определяют экспериментально. На рис. 7 показано, какой вид имеет кривая, связывающая коэффициент отбора с поперечником частиц. Как и можно было ожидать, крупные частицы все до одной задерживаются в импакторе. Для частного случая, к которому относится кривая рис. 7, коэффициент отбора резко падает при поперечнике частиц меньше 1 мк. При поперечнике 0,7 мк он падает до 50% и при поперечнике 0,5 мк достигает нуля. Кривые, подобные показанной на рис. 7, называют калибровочными. С их помощью по результатам измерений, полученным на том или ином приборе, определяют истинные значения измеряемой величины. Для импактора использование калибровочной кривой выглядит вот как. Пусть, например, через импактор прошел 1 м3 воздуха и при этом на пластинке осталось 100 частиц с поперечником 1 мк и 75 частиц с поперечником 0,75 мк. По калибровочной кривой видно, что для первых коэффициент отбора составляет 100%, а для вторых — 50%. Отсюда можно определить истинное содержание аэрозолей с поперечником частиц 0,75 мк в засасываемом воздухе, умножив 75 на 2. Иными словами, мы приходим к выводу, что в кубическом метре атмосферного воздуха в данном случае содержится 150 частиц с поперечником 0,75 мк.

Коэффициент отбора показывает, какая доля частиц остается в импакторе

Коэффициент отбора показывает, какая доля частиц остается в импакторе

Для сбора частиц в одноступенчатом импакторе может использоваться стеклянная пластинка, как это показано на рис. 6. Но в некоторых случаях вместо нее рядом с соплом устанавливают вращающийся барабан, на поверхность которого наклеена полоска пластика или бумаги. Зная скорость вращения барабана, можно определить, как изменяется содержание аэрозолей в воздухе по времени. Когда поверхность барабана белая, а вращается он медленно, то собранные частицы образуют настолько плотный слой, что на нем будут видны различные оттенки серого цвета. По распределению этих оттенков можно оценить изменение загрязненности воздуха во времени.

Обернув поверхность вращающегося барабана пластмассовой лентой со специальным покрытием, можно измерить, как меняется во времени число частиц различных размеров. В этом случае барабан должен вращаться достаточно быстро, чтобы уменьшить вероятность попадания нескольких частиц на одно и то же место.

При использовании одноступенчатого импактора для снятия распределений атмосферных частиц по размерам возникают некоторые трудности. Мы уже отмечали, что для частиц с поперечником меньше примерно 0,5 мк коэффициент отбора падает до нуля. Другая трудность возникает при сборе крупных частиц размером 5—10 мк. Обычно число их (точнее говоря, содержание) очень мало. Так, например, в пробе воздуха, взятой на океанском побережье, содержание частиц морской соли, имеющих поперечник около 0,5 мк, может составлять приблизительно 100 тыс. частиц на 1 м3. В то же время для частиц с поперечником 5 мк оно будет что-нибудь порядка 100 — 1000 частиц на 1 м3. Для частиц промежуточных размеров концентрации будут лежать между этими крайними пределами. Такой широкий диапазон концентраций создает серьезные трудности для отбора проб.

Чтобы собрать в одноступенчатом импакторе достаточное для последующего анализа число крупных частиц, приходится одновременно собирать чрезмерно большое число мелких. При этом о пластинку ударяется слишком много мелких частиц, они накладываются одна на другую и становится трудно определить их первоначальные размеры. Если же уменьшить объем воздушной пробы и тем самым снизить площадь пластинки, покрытую частицами, то число собранных частиц крупных размеров становится таким маленьким, что на его основании нельзя сделать никаких выводов.

Учитывая эти трудности, специалисты по аэрозолям создали многоступенчатый импактор. Такой импактор по причинам, которые станут вскоре понятны, часто называют также каскадным.

Схема трехступенчатого импактора

Схема трехступенчатого импактора

На рис. 8 приведена схема устройства одного из типов каскадного импактора. Легко видеть, что по существу он состоит из трех последовательно включенных одноступенчатых импакторов. Однако из схемы не сразу понятно, что эти импакторы несколько отличаются друг от друга по конструкции. Каждый из них предназначается для улавливания разных по размерам частиц. Через импакторы всех ступеней проходит один и тот же воздушный поток (на рис. 8 показан стрелками). Импактор первой ступени (1) рассчитан на улавливание только крупных частиц, скажем, размерами больше 2 мк. Это не значит, что здесь будут улавливаться все до единой частицы размером больше 2 мк, а все меньшие частицы пройдут дальше. Просто при поперечнике приблизительно 2 мк кривая коэффициента отбора для данной ступени резко идет вниз. Поэтому большинство аэрозолей меньших размеров свободно пройдет через ступень 1 к ступени 2.

Импактор ступени 2 рассчитан на улавливание частиц промежуточных размеров, например 0,8—2 мк. Размер сопла у него меньше, чем у ступени 1, Меньше и расстояние между краем сопла и пластинкой, и в результате скорость воздуха в ступени 2 выше. Для частиц размером более 0,8 мк коэффициент отбора приближается к 100%. Большинство частиц с поперечником 0,8—2 мк останется на пластинке ступени 2. Меньшие частицы пройдут через ступень 2 к ступени 3. Если импактор ступени 3 сконструирован правильно, то он задержит большинство аэрозольных частиц с поперечниками 0,5—0,8 мк. Как вы уже догадываетесь, в последнем импакторе диаметр сопла и расстояние между краем сопла и пластинкой еще меньше, чем в предыдущем.

С помощью каскадных импакторов можно изучать аэрозоли во всем диапазоне их концентраций и размеров. Устройство, о котором только что было рассказано, называется по понятным причинам трехступенчатым импактором. Если желательно изучить распределение частиц по размерам более подробно, то применяют импакторы с большим числом ступеней. В настоящее время в одном импакторе объединяют до 5 ступеней. Для получения очень небольших по объему проб осажденных частиц аэрозолей можно использовать весьма своеобразный «импактор», не похожий на те, о которых мы сейчас говорили. Он обладает тем преимуществом, что дает возможность улавливать частицы диаметром меньше 0,1 мк. Метод разработан во Франции Анри Дессаном. Вместо того чтобы, как это делают в обычных импакторах, создавать условия для ударов частиц о сравнительно большую поверхность, он решил уменьшить эту поверхность до минимально возможного размера. Дело было в 194G году, задолго до появления чрезвычайно тонких пластмассовых нитей, и Дессан обратился к природе. Он поймал несколько пауков и предоставил им заниматься привычной для них работой — ткать паутину.

У некоторых видов пауков паутина обладает совершенно уникальными свойствами. Она очень однородна по толщине и удивительно тонка — около 0,01 мк в диаметре. Для сравнения отметим, что диаметр человеческого волоса равен приблизительно 100 мк. Поймав паука, его помещают на тонкий металлический каркас, и он оплетает его своей паутиной. При сборе аэрозолей каркас с паутиной ставят так, чтобы воздушный поток проходил перпендикулярно паутине. Благодаря тому что паутина очень тонка и имеет клейкую поверхность, коэффициент отбора у нее весьма высок даже для чрезвычайно мелких частиц. С помощью паутины можно собирать частицы размером меньше 0,1 мк. Как легко понять, этим методом удается всякий раз собирать лишь небольшое число частиц. Для того чтобы определить их размеры и количество, пользуются микроскопом.

Электростатические осадители и термоосадители

В тех случаях, когда частицы имеют размер меньше 0,1 мк, наиболее эффективными методами их сбора оказываются те, в которых используют приборы, получившие название электростатических и термоосадителей. В обоих приборах поток воздуха пропускают между двумя близко расположенными поверхностями, где действуют те или иные силы, притягивающие аэрозоли к одной из этих поверхностей.

Рассмотрим сперва термоосадители. Мы уже говорили о том, что в горячем воздухе молекулы движутся более интенсивно, чем в холодном. Если между двумя поверхностями, имеющими различную температуру, будет проходить воздух со взвешенными в нем мелкими частичками пыли, то эти частички со всех сторон будут бомбардироваться молекулами воздуха. Молекулы, которые налетают на частичку со стороны более теплой поверхности, в среднем имеют большую скорость, чем молекулы, налетающие с противоположной стороны. В результате частичка должна начать двигаться к более холодной поверхности. Если размер частички и расстояние между поверхностями достаточно малы, то со временем частичка непременно ударится о холодную поверхность. Поместив на ней соответствующую пробоотборную пластинку, можно уловить нужное число частиц и затем исследовать их под микроскопом.

Электростатические осадители используют как для лабораторных работ, так и в промышленных системах контроля загрязненности воздуха. Они бывают самых разных размеров, а в основе их действия лежит тот известный всем принцип, что электрические заряды одинакового знака взаимно отталкиваются, а разных — притягиваются. Следовательно, если отрицательно заряженная частица проходит между двумя металлическими пластинами, имеющими заряды разных знаков, то она будет притянута к положительно заряженной пластине. Иными словами, под воздействием электростатической силы частица оседает на одну из пластин.

В электростатическом осадителе имеется источник ионов, электризующих аэрозоли. Таким источником может быть металлическая проволока, находящаяся под высоким отрицательным потенциалом. Ее помещают совсем рядом с положительно заряженной металлической пластиной, но электрически изолируют от последней. Между проволокой и пластиной создается сильное электростатическое поле, которое вынуждает частицы двигаться по направлению к пластине. Установив на последней пробоотборную пластинку, можно собрать нужное число частиц.

Счетчик Айткина

Во всех описанных выше приборах частицы заставляют либо застревать в ткани фильтра, либо осаждаться на поверхности пробоотборной пластины или же на тончайшей паутинке. Сейчас я расскажу об устройстве, которое позволяет нам узнать кое-что об аэрозолях без того, чтобы захватывать их в плен.

Основную идею этого прибора предложил еще около 1890 года английский ученый Айткин. Он обнаружил, что когда занимаемый воздухом объем мгновенно увеличивается, то возникающее при этом охлаждение приводит к образованию облачка тумана. Айткин решил, что при этом водяной пар конденсируется на содержащихся в воздухе частицах. Он провел большое число различных экспериментов и показал, что число капель в единице объема зависит от свойств содержащихся в воздухе частиц (ядер конденсации), а также от степени расширения воздуха. Чем больше расширение, тем плотнее образующееся облачко (это верно, правда, лишь до определенного предела). Проведенное исследование легло в основу устройства, получившего название «счетчик ионов Айткина».

Прошли годы, и идея Айткина подверглась дальнейшему развитию. Сейчас в продаже имеются счетчики Айткина, в которых достигается заранее известная степень расширения, а плотность облачка измеряется посредством луча света, падающего на фотоэлемент. С помощью этих приборов измеряют содержание частиц в атмосферном воздухе.

Счетчик Айткина дает возможность обнаруживать присутствие частиц размером 0,01 мк, т. е. примерно в 10 раз меньших, чем другие устройства, о которых мы говорили выше. К сожалению, однако, при этом почти ничего не удается узнать о размерах частиц или об их химическом составе. Счетчик дает сведения только о концентрации частиц. В силу этого он получил сравнительно ограниченное применение.

Взятие проб газов

Для взятия проб газообразных примесей, содержащихся в атмосфере, существует большое число методов. Наиболее распространен метод, при котором исследуемый воздух пропускают через жидкость, которая обладает способностью очищать воздух. Под словом «очищать» мы здесь подразумеваем, что жидкость каким-то образом реагирует с газообразной примесью, в результате чего эта примесь удаляется из воздуха. Поглощающие жидкости подбирают по их известным свойствам вступать в реакции с вполне определенными газами. Например, одна жидкость может связывать сернистый ангидрид, другая — сероводород и т. д.

Коль скоро газообразная примесь отобрана из воздуха, ее количество можно измерить посредством какого-либо из методов химического анализа. Более или менее стандартные аналитические методы дают возможность определять концентрации газа меньше 10-7.

Пробы газов можно получать также, пропуская воздух через фильтры, изготовленные из таких материалов (одним из них является активированный древесный уголь), которые активно адсорбируют газы. Выбирать адсорбирующий материал надо очень продуманно. После сбора пробы фильтр нагревают, собирают выделяющийся при этом газ и анализируют его свойства.

При другом способе обнаружения газообразных загрязнений пользуются твердым материалом, пропитанным каким-либо веществом, которое меняет свой цвет под воздействием того или иного определенного газа. Большое число таких устройств разработано, в частности, для обнаружения сернистого газа.