Методы определения содержания вредных веществ в воздушной среде
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
__________________________________________________________
Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»
В.Г.Булаев
Исследование загазованности и запыленности воздушной среды производственных помещений
Свердловск 1984
Цель работы: ознакомление с требованиями санитарных норм на количественное содержание газообразных токсичных веществ и пыли в воздухе рабочей зоны производственных помещений, экспериментального определения концентраций токсичных веществ и пыли в воздухе с помощью различных приборов, разработка рекомендаций по оздоровлению воздушной среды.
Общие сведения
Технологические процессы в целом ряде производств сопровождаются выделением в воздушную среду рабочей зоны вредных (токсичных) веществ: газов, паров и пыли. Наличие вредных веществ в воздухе вышеустановленных санитарными нормами предельно допустимых концентраций неблагоприятно влияет на организм человека, может вызвать отравление, а при длительном воздействии – профессиональное заболевание.
Действенным методом борьбы с загазованностыо и запыленностью воздуха рабочей зоны является нормирование содержания вредных, веществ. В СССР в практику был введён принцип нормирования предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе. В соответствие с ГОСТ 12.1.005-88 под ПДК понимается концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или отдельные сроки жизни настоящего и последующих поколений.
В СССР установлены три вида ПДК для воздуха рабочей зоны (ГОСТ 12.1.005-88), разовая и среднесуточная (СП 2.2.1.1312-03).
Требования ГОСТ 12.1.005-88 распространяются на воздух рабочей зоны промышленных предприятий.
Максимальную разовую ПДК устанавливают с целью, предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущения запаха, изменение биоэлектрической активности головного мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном воздействии атмосферных загрязнений (до 20 мин.), а среднесуточную – с целью предупреждения их общетоксичного, канцерогенного, мутагенного и других влияний.
Обоснование максимальной разовой ПДК атмосферных загрязнений проводят по результатам наблюдений при кратковременном (5 – 20 минут) вдыхании воздуха с содержанием малых концентраций изучаемого вещества.
Для установления среднесуточных ПДК атмосферных загрязнений проводят токсилогический эксперимент на животных с целью изучения резорбтивного действия конкретного вредного вещества. В эксперименте моделируют условия контакта человека с изучаемым веществом. Животных подвергают круглосуточному ингаляционному воздействию конкретного химического вещества в течение 3 – 4 месяцев. При этом определяют изменения происходящие в организме животного под воздействием вредного вещества.
К настоящему времени Министерство здравоохранения РФ утвердило нормативы ПДК более чем для 2400 видов веществ и их соединений.
Ущерб, наносимый вредными веществами организму человека зависит от их токсичности, под которой понимается степень физиологического воздействия на организм человека.
По степени опасности для организма человека вредные вещества в соответствие о ГОСТ 12.1.007-76 подразделяется на четыре класса опасности;
1) чрезвычайно опасные/ДДТ, свинец, канцерогенные вещества и др;
2) высоко опасные /сурьма, фторопласт-4, марганец, хлор и др;
3) умеренно опасные /сажа, фенол, сернистый ангидрид и др
4) мало опасные /бензин керосин, лигроин и др./ см.Приложение № 1,2.
При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма отношений фактических концентраций каждого из, них (С1, C2, С3,……СП) к их предельно допустимым концентрациям (ПДК1, ПДК2, ПДК3……ПДКП) не должно превышать единицы т.е.
(1)
При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ, не обладающих однонаправленным действием, ПДК остаются такими же, как и при изолированном воздействии.
Воздух рабочей зоны может загрязняться как газообразными вредными веществами, так и твёрдыми (пылью).
Производственная пыль – это мельчайшие твёрдые частицы веществ, образующиеся при дроблении, размоле, механической обработке различных материалов, ремонте машин, погрузке и выгрузке сыпучих материалов и т.д.
В общем виде размеры частиц лежат в области от 0,001 до 50 мкм, при этом основной вклад в массу аэрозольного вещества дают частицы в диапазоне от 0,1 мкм. В этом диапазоне размеров частицы во взвесях имеют время жизни от нескольких секунд до нескольких месяцев. На поведение частиц размером менее 0,1 мкм оказывает существенное влияние броуновское движение за счёт столкновения с отдельными молекулами. Частицы размерами между 0,1 и 1 мкм в спокойной атмосфере имеют скорость оседания несравненно меньше, чем скорость ветра; при размере более 1 мкм оседание заметно, но все ещё мало; для частиц размером примерно 2,0 мкм скорость оседания велика. Такие частицы удаляются из атмосферы гравитационным оседанием или другими инерционными процессами.
Примерное значение скоростей оседания для частиц плотностью 1 г/см3 следующее:
0,1 мкм 4∙10–5 см/с
1мкм 4∙10–3 см/с
10 мкм 0,3 см/с
100 мкм 30 см/с
Частицы пыли диаметром от 0,1 мкм до 10 мкм оседают в воздухе с постоянной скоростью согласно закону Стокса:
(2)
где ωВ – скорость витания (оседания)пылевых частиц;
ρ – плотность материала, г/м3;
d – диаметр частицы, м.
При скорости воздушного потока в помещении меньше происходит осаждение пыли.
Производственная пыль может быть самой различной дисперсности, под которой понимается вся совокупность размеров составляющих ее частиц. По дисперсности различают пыли следующих классификационных групп:
I – очень крупнодисперсная (свыше 100 мкм);
II – крупнодисперсная (более 50 мкм);
III – среднедисперсная '(10 – 50 мкм);
IV – мелкодисперсная (менее 10 мкм);
V – очень мелкодисперсная (менее 5 мкм).
Наибольшую опасность представляет частицы пыли, до 5 мкм, так как они сравнительно легко проникают в легочную ткань человека. Пылевые частицы размером более 10 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях и с мокротой выводятся наружу.
Химический состав и физические свойства пыли оказывают различные действия её на организм человека – токсическое, фиброгенное и раздражающее.
Токсическое действие пыли проявляется в том случае, когда в её составе содержатся вещества, относящиеся к .промышленным ядам (свинец, окись цинка, ртуть и т. д.).
Фиброгенное воздействие выражается в образовании; патологических грубоволокнистых соединительных тканей в лёгких, что приводит к уменьшению поверхности альвеол, в которых происходит насыщение крови кислородом и, как следствие этого, сердечно-лёгочной недостаточности. Наибольшим фиброгенным действием обладают частицы, содержащие свободную двуокись кремния (SiО2). Систематическое нахождение работающих в запыленной атмосфере может служить причиной появления специфических заболеваний лёгких – пневмокониозов. В зависимости от видов вдыхаемой пыли пневмокониозы различает: силикоз – при вдыхании кварцсодержащей пыли, силикатов – силикатной, антракоз – угольной и др.
Методы определения содержания вредных веществ в воздушной среде.
2.1. Методы определения загазованности воздуха
Микрообъёмный метод
Метод основан на свойствах отдельных компонентов газовой смеси вступать в химические реакции только с определёнными реактивами – поглотителями. При пропускании газовой смеси черев раствор – поглотитель за счёт поглощения отдельных компонентов, сокращается общий объём газовой пробы. По этой разности объёма газовой пробы до поглощения и после устанавливается содержание компонента в смеси (в % объёмных). Этот метод применим для определения в воздухе кислорода (О2), углерода (СО), двуокиси углерода (CO2), углеводородов (СпНт), после сжигания их до угольного альдегида,
Фотометрический метод
Многие вещества способны растворяться в специальных растворах или в воде, придавая им определённую окраску. Степень окраски зависит от концентрации вредного вещества. В свою очередь окраска раствора влияет на его светопропускание. На этой способности растворов основан фотометрический метод анализа, т.е. измерения интенсивности светопоглощения окрашенными растворами по сравнению со стандартными шкалами.
К фотометрическим методам относятся; колориметрические и нефелометрические методы, основанный на визуальных наблюдениях или осуществляемые с помощью специальных приборов – фотоэлектро-колориметров, спектрофотометров и нефелометров.
Люминесцентный метод
Метод основан на способности некоторых веществ отдавать поглощенную ими энергию в виде светового излучения. Явление, когда по окончании процесса возбуждения люминесценция практически прекращается, называется флуоресценцией, когда не она продолжается в течение некоторого времени – фосфоресценцией.
Флуоресценцией обладают некоторые комплексные соли металлов, особенно внутрикомплексные соли, образованные взаимодействием ионов металлов с органическими реагентами, а также растворы солей уранила. В некоторых случаях проводят измерение интенсивности флуоресценции не растворов, твёрдых сплавов на пример, сплавов фторида натрия с солями уранила. Оценку интенсивности флуоресценции проводят визуально и фотоэлектрическим методом с помощью фотоэлементов.
Спектроскопический метод
Метод основан на способности элементов, помещённых в пламя вольтовой дуги (3500-4000°С), давать определенный спектр излучения, который пропускается через систему линз и фиксируется На фотопластинке. Каждый элемент обладает своим спектром излучения, своей характерной линией спектра, С помощью микрофотометра измеряют интенсивность потемнения спектральных линий, присущих данному веществу, интенсивность потемнения фона пластинки и ряда специально подобранных «эталонов» – стандартов. Определение ведут по градуировочным графикам.
Полярографический метод
Метод основан на измерений – предельного тока диффузии, возникающего при электролизе испытуемого раствора, с помощью ртутных (или других) электродов, при этом катодом служат – капли ртути, вытекающего из капилляра, а анодом – слой ртути в электролизе, имеющий значительную большую поверхность, чем катод. На эту ртуть в электролизе наливают испытуемый раствор. В момент разряжения на электроде ионов, способных восстанавливаться или окисляться, при определённом потенциале возникает ток, который после достижения некоторой величины остаётся постоянным, так называемый предельный ток диффузии.
Хроматографический метод
При хроматографии осуществляется разделение многокомпонентной газовой смеси, движущейся вдоль специального вещества-сорбента, на бинарные смеси отдельных компонентов.
Механизм разделения газовой смеси представлен на рисунке 1. В поток газа носителя, протекающего по капилляру, покрытому изнутри плёнкой жидкого сорбента, вводится газовая проба (рисунок 1а). Так как скорость – растворения (или выхода) компонентов смеси в растворителе будет различной, то и время перехода компонентов в растворитель будет разное. Оно зависит от индивидуальных свойств компонента. Этим и обусловлено разное начало их разделения в колонке на сорбенте. При следовании газовой смеси через капилляр происходит её разделение на бинарные составляющие. Первым покидает колонку газ, имеющий наименьшие сорбционные способности, последним газ, наиболее хорошо сорбирующийся данной неподвижной фазой (рисунок 1в). Бинарные смеси выходят из детекторной части прибора последовательно через определённые интервалы времени (рисунок 1г), что позволяет осуществлять качественный и количественный анализ газовой смеси.
Регистрация в функции времени выхода бинарных составляющих газовой смеси позволяет построить диаграмму изменений их свойств по времени, которая носит название хроматограмма (рисунок 1д). Сравнение полученных хроматограмм с хроматограммами чистых (эталонных) бинарных смесей позволяет установить концентрацию в исходной смеси каждого из компонентов.
Быстрые методы
К быстрым методам анализа воздуха относятся колориметрические и линейно-колористические методы, которые позволяют быстро в месте отбора пробы определять концентрации загрязняющих воздух веществ.
Колориметрические методы основаны на протягивании воздуха, содержащего загрязняющее вещество, через раствор, фильтровальную бумагу или зернистый твёрдый сорбент и измерении интенсивности полученной на них окраски путём сравнения с окраской стандартных шкал.
Линейно-колористический метод основан на протягивании исследуемого воздуха через индикаторные трубки и измерения длины окрашенного слоя порошка по заранее приготовленным шкалам, показывающим зависимость этой длины от концентрации данного вещества.
Рисунок 1 – Схема разделения компонентов пробы в капилляре газо-жидкостного хроматографа и общий вид хроматограммы:
1 – пленки сорбента; 2 – проба; 3 – капилляры; 4 – детектор;
5 – компоненты; 6 – газ носитель.
2.2 Методы определения запылённости воздуха
Весовой метод определения пыли
Весовой метод определения запылённости воздуха заключается в определении количества пыли по весу (мг/м3) в определённом объёме воздуха. С помощью аспирационного прибора (воздуходувки, эжектора и др.) исследуемый воздух протягивается через фильтр, который взвешивается до и после отбора пробы. Количество протянутого воздуха измеряется реометром, ротаметром или любым другим способом.
Наибольшее распространение для отбора пыли в настоящее время получили аналитические фильтры аэрозольные АФА и перхлорвиниловые фильтры Петрянова – ФПП. Для пыли широко применяются фильтры – АФА–В–10 и АФА–В–18 (буква В обозначает пригодность фильтра для весового анализа, а цифры 10 и 18 обозначают площадь фильтра в см2).
Широкое применение фильтров АФА обусловлено их значительными преимуществами перед другими:
1. Осаждение пыли обусловлено не только вследствие механической задержки, но и вследствие особых электростатических свойств самой ткани фильтра, что обеспечивает практически полную задержку пыли – около 99,5 %
2. Гиброфобны, а поэтому исключается процедура длительных повторных высушиваний.
3. Незначительная масса – не более 100 мг; что позволяет получить высокую точность определения массы пыли на фильтре и определить малые концентрации её с достаточной точностью.
4. Аэродинамическое сопротивление 1,5 – 2,0 мм. вод. ст.
5. Простота использования фильтра в период замера (фильтр помещён, в бумажное защитное кольцо, который вкладывается в специальный патрон).
Счётный (кониметрический) метод определения пыли
Счётный или кониметрический метод позволяет более полно судить о действии пыли на организм человека. Этим методом можно определить процентное и весовое содержание наиболее вредных фракций в воздухе.
Для определения числа частиц ныли различных размеров в единице объема воздуха имеются специальные счётчики. Наибольшее распространение получили счётчики ударного действия ТВК-3, СН-2, ОУЭНС-1.
Для определения весового содержания в воздухе наиболее опасных фракций пыли существует условный перевод, по которому 200 пылинок диаметром до 2 мкм соответствуют весовой концентрации 1 мг/м3.
Описанные методы определения запылённости воздуха трудоёмки и продолжительны по времени. Поэтому в последние годы разработаны методы, позволяющие сразу получать требуемые результаты и вести процесс измерения пыли непрерывно. К таким методам относятся: фотоэлектрический, радиометрический, электрический и др.
Весовая концентрация пыли в воздухе в этом случае определяется косвенным путём – по величине суммарного наряда электризованных частиц пыли, измерение толщины пылевого осадка на фильтре по поглощению бета-частиц, до отражению частицами световой энергии и др. Пробы, регистрирующие запылённость воздуха косвенным путём, обладают в ряде случаев существенным недостатком: их показания зависят от вида пыли и её дисперсного состава. Поэтому требуется предварительная систематическая тарировка приборов другими методами, например весовым.
Отечественная промышленность серийно выпускает экспресс приборы – ИКП-1, Приз, ИЗВ и др.