Исследование выделений оксида углерода в при термодеструкции связующих разных классов, применяемых для изготовления форм и стержней

1. Цель работы

Освоение экспрессного метода определения концентрации оксида углерода в воздухе рабочей зоны при термодеструкции связующих формовочных и стержневых смесей.

2. Теоретическое введение

Литейное производство является одним из источников загрязнения объектов окружающей среды (атмосферы, гидросферы и литосферы). Практически все технологические этапы изготовления отливок сопровождаются вредными воздействиями на окружающую среду. К ним относятся: выделения пыли (оксиды металлов, составляющие шлаков, пыль кремнесодержащая и др.), вредных газов (неорганические - оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота и др.; органические - фенол, формальдегид, бензол, фурфурол и др.), загрязнение сточных вод механическими и химическими примесями и образование твердых отходов; тепловое и электромагнитное излучения, шум и вибрация.

На атмосферный воздух приходится более 70 % всех вредных воздействий литейного производства.

Например, производство 1 т чугунных отливок сопровождается выделением 20-30 кг пыли, 200 - 300 кг оксида углерода, 1-2 кг оксидов серы и оксидов азота, 0,5-1,5 кг других вредных веществ (фенола, формальдегида, ароматических углеводородов, аммиака, цианидов и др.)

Оксид углерода (СО), взаимодействуя с гемоглобином крови, образует карбоксигемоглобин, который препятствует поступлению в кровь кислорода, и в соответствии с “Санитарными правилами литейного производства” концентрация его в рабочей зоне и в атмосфере на территории предприятия и в зоне жилой застройки регулярно контролируется.

Предельно допустимая концентрация СО в рабочей зоне (ПДКр.з.) - 20 мг/м³, предельно допустимая концентрация СО населенных мест (ПДКн.м.) - 3,000 мг/м³.

Для обеспечения безопасных условий труда работающих, а также для проверки условий работы в данном производственном помещении на соответствие санитарным нормам и правилам (в том числе ПДКр.з. требованиям ГОСТ 12.1.005-88) применяют различные методы анализа загрязнений воздуха.

Метод газовой хроматографии является одним из наиболее точных и распространенных. Он дает возможность определить наличие нескольких веществ в одной пробе воздуха. Разделение газовоздушной смеси происходит при пропускании ее через колонку, заполненную сорбентом. Компоненты смеси распределяются между движущейся фазой, которая может быть жидкой или твердой. Регистрация разделенных компонентов смеси осуществляется хроматографическим детектором в результате преобразования в электрический сигнал изменения физико-химических свойств газового потока, выходящего из хроматографической колонки. Результатом измерения является хроматограмма, на которой представлена зависимость величины сигнала детектора от времени или от объема газа-носителя. Площадь каждого хроматографического пика пропорциональна концентрации компонента, соответствующего этому пику, что позволяет провести количественное определение содержания компонента, входящего в состав смеси.

Колориметрический метод основан на измерении ослабления светового потока, происходящего вследствие избирательного поглощения света в видимой области спектра специальными растворами. Определяемый компонент переводят в окрашенное соединение при помощи специфической химической реакции и определяют интенсивность окраски раствора по его оптической плотности.

Приборы: фотоколориметры, спектрофотометры.

Химические методы применяются в условиях, когда требуется высокая точность измерений. Определение содержания СО химическим методом основано на его окислении до СО₂ йодноватым ангидридом, поглощении СО₂ баритом и микротитровании избытка барита соляной кислотой.

Кондуктометрический метод основан на измерении электропроводности раствора сорбента при поглощении определяемой примеси из пробы исследуемого воздуха. Изменение электропроводности раствора характеризует количество примеси.

Кулонометрический метод предполагает определение количества электричества; необходимого для осуществления электрохимического процесса выделения на электроде или образования в электролите вещества, по которому проводят анализ исследуемой пробы.

Акустический метод основан на способности газов и паров поглощать инфракрасные лучи и, следовательно, нагреваться, вследствие чего в измерительном сосуде повышается давление. Если исследуемый воздух подвергают воздействию инфракрасного излучения, прерываемого со звуковой частотой, в сосуде возникает пульсация давления, т.е. возникает звук по силе и высоте которого судят о концентрации определяемой примеси.

Термохимический метод заключается в измерении теплового эффекта химической реакции, протекающей на поверхности нагревателя из каталитически активного материала.

Ионометрический метод позволяет измерять изменения ионной проводимости твердого электролита при пропускании исследуемого газа при высокой температуре (более 700 °С) через чувствительный элемент. Возникающая разность химических потенциалов на чувствительном элементе из твердого электролита позволяет судить о непрерывном изменении концентрации исследуемого компонента (в частности СО) в воздухе.

В данной работе определение концентрации СО проводят ионометрическим методом с помощью измерителя, разработанного А.Г. Фохтиным.

3. Описание установки

Измеритель концентрации СО представляет собой непрерывно-действующий электронно-цифровой прибор, предназначенный для измерения объемной концентрации окиси углерода в составе отходящих газов теплотехнических установок.

Рабочие условия применения:

- температура анализируемого газа от 650 до 1500°С;

- атмосферное давление в топочном отделении от 666,5 Па до 106,4кПа;

- объемное содержание окиси углерода в составе отходящих газов от 10 до 20%;

- основная относительная погрешность газоанализатора не более 4 % для диапазона 1x10 - xl0 и не более 3 % для диапазона 1 - 20 %.

- расход анализируемого газа через чувствительный элемент - 2,5 ±0,125см3/с.

- напряжение питания газоанализатора 220± 22 В частотой 50 Гц.

- потребляемая мощность не превышает 30 Вт.

Время подготовки прибора к работе после включения составляет около 10 минут.

4. Порядок проведения работы

Чувствительным элементом газоанализатора является гальваническая ячейка, обладающая при высокой температуре ионной проводимостью, возникающей вследствие разности химических потенциалов на поверхности ячейки. ЭДС, возникающая на электродах, пропорциональна разности химических потенциалов на внешней и внутренней поверхности ячейки; на внешней поверхности ячейки формируемая величина химического потенциала, пропорциональная концентрации анализируемого газа, а на внутренней поверхности ячейки величина потенциала определяются потоком кислорода через структуру электролита и избыточным содержанием графита.

Разность электродных потенциалов связана с парциальными давлениями окисида углерода в анализируемом газе и сравнительной среде соотношением Нернста:

, (14)

где – разность электродных потенциалов (ЭДС ячейки), В;

R – газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль×К);

Т – температура газа, К;

4F – количество электричества, 4 х 96500 Кл/моль;

, – парциальные давления окиси углерода в анализируемом газе и сравнительной среде, Па.

Чувствительный элемент газоанализатора выполнен в виде пробирки из циркониевой керамики. Рабочей частью элемента является его донышко, на которое с обеих сторон методом вжигания нанесены пористые молибденовые электроды и дополнительно покрыты слоем циркониевой керамики.

Рабочим электродом является внутренний электрод, а электродом сравнения - наружный.

Тоководы от электродов выполнены в виде молибденовых дорожек. Анализируемый газ подается внутрь чувствительного элемента и свободно входит в атмосферу.

Электрическая схема газоанализатора функционально делится на измерительную схему, схему регулятора температуры, источник электропитания.

Для точного поддержания температуры рабочей зоны чувствительного элемента применяется регулятор температуры. В качестве термочувствительного элемента используется термопара ТПР градуировки ПР-30/6, не требующая коррекции на изменение температуры свободных концов.

Электропитание схем газоанализатора производится от общего трансформатора.

Питание усилителя вместе с преобразователем аналогового сигнала, т.е. АЦП, производится от источника питания напряжением +5 В.

Блок-схема газоанализатора представлена на рис. 5.

Поток анализируемого газа проходит по трубкам в канал чувствительного элемента, а затем вновь поступает в атмосферу.

4.1.Для изучения интенсивности выделения окиси углерода в воздух рабочей зоны при термодеструкции стержневых смесей в зависимости от типа и количества связующих, изготовить партию стержней с использованием смол разных классов.

4.2. Приготовить стержневые смеси по вариантам, приведенным в табл. 4.

4.3. Для изготовления стержней использовать металлический стержневой ящик. Полученный стержень имеет следующие размеры: диаметр 10 мм, длина 60 мм.

4.4. При изготовлении стержней с использованием связующих горячего отверждения нагрев стержня (табл.4.) проводить в силитовой лабораторной печи. С помощью термопары типа ХА (или ВР5/20) зафиксировать необходимую температуру отверждения и поддерживать ее постоянной в течение 1-2 минут (время зависит от массы стержня), используя подключенный к печи реостат.

4.5. При использовании химически твердеющих связующих (ХТС) стержень формуется в стержневом ящике и выдерживается несколько минут. Время выдержки определяется типом применяемых ХТС.

4.6. После отверждения и охлаждения извлечь готовый стержень из формы. Затем стержень поместить в специальную стеклянную трубку из кварцевого стекла (термостойкую), а трубку - в силитовую печь и подвергнуть постепенному нагреву в интервале температур до 1000° С. (принятая температура термодеструкции).

Рис. 5. Блок-схема газоанализатора:

1 - датчик-преобразователь концентрации в электрический сигнал; 2 - нагревательный элемент; 3 - фарфоровая трубка; 4 - корпус преобразователя; 5 - штуцер-гайка; 6 - усилитель; 7 - показывающий внешний прибор-индикатор концентрации; 8 - блок питания нагревательного элемента.

Схема лабораторной установки представлена на рис. 6.

4.7. Как известно, образование СО начинается от температуры 650°С и выше. Поэтому, начиная от температуры 400°С, показания прибора фиксируются непрерывно в виде диаграммы на КСП (или через 3-5 секунд в рабочем журнале).

4.8. Аспирирование воздуха с скоростью 20 л/мин над источником выделения СО осуществляют при помощи электроаспиратора типа М-822. Электроаспиратор - прибор, предназначенный для отбора проб воздуха с заданной скоростью от 0 до 20 л/мин. Описание работы и включения электроаспиратора находится у учебного мастера.

Таблица 4

Составы исследуемых стержневых смесей

Номер варианта	Класс связующего	Марка связующего	Кол-во связующего в смеси, %	Тип и количество отвердителя, %	Температура, °С и время отвердения, мин.
	Химически твердеющие (ХТС)	БС-40	1,5 2,0 2,5
	Горячего отверждения (ГТС)	Пульвебакелит	1,5 2,0 2,5
	Генераторная смола (ГТФ) + 25% лигносульфатоната марки А	1,5 2,0 2,5

Перед проведением измерений концентрации СО прибор настроить:

1. Включить тумблер "Сеть" газоанализатора. Через 10 -15 минут после включения прибор готов к работе.

2. Включить электроаспиратор, установив заданную скорость отбора воздуха.

3. Включить наружную кнопку шкалы прибора. Кнопка выбирается в соответствии с ожидаемой концентрацией окиси углерода в анализируемом газе.

4. Отсчет концентрации контролируемой составляющей в исследуемом газе производится по цифровому индикатору на передней панели прибора.

5. Обработка результатов

Для расчета концентрации СО в анализируемом газе используют градуировочный график.

6. Требования к отчету. Отчет должен содержать:

6.1. Цель работы краткие теоретические сведения.

6.2. Описание аппаратуры.

6.3. Методику.

6.4. Результаты, представленные в виде табл.5 и график зависимости содержания СО в воздухе от количества связующего и температуры нагрев

8. Выводы.

Таблица 5

Результаты исследований

Номер варианта	Марка связующего	Количество связующего	Концентрация СО в воздухе, мг/м3 , при t нагрева. ºС
			400 650 1000

Рис.6. Схема лабораторной установки.

1 - лабораторная печь; 2 -стержень; 3 - датчик температуры - термопара; 4 - газоанализатор; 5 - внешний прибор компенсации отходящих газов; 6 - аспиратор; 7 - внешний прибор определения концентраций; 8 - внешний прибор для измерения температуры внутри нагревательного объема.

7. Контрольные вопросы

7.1. Какие загрязняющие вещества выделяются в атмосферу в литейных, кузнечно-прессовых, термических цехах и цехах мехобработки?

7.2. Что такое предельно-допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества? Какие существуют виды ПДК?

7.3. Какие методы анализа применяются для определения концентрации загрязняющих веществ в воздухе?

7.4. В чем опасность оксида углерода СО?

7.5. Какова ПДК_р.з. и ПДК_н.м. для СО?

7.6. В чем суть метода хроматографии?

7.8. В чем проявляется опасность диоксида серы SO₂ ?

7.9. В чем проявляется опасность оксидов азота NO,NO₂

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4