автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Ионохроматографический метод экологического контроля воздуха и промышленных газовых выбросов

Актуальность работы.

Научная новизна.

Положения, выносимые на защиту.

Практическая значимость.

Глава

Постановка задачи. Анализ исходных данных.

Глава

Ионохроматографическое газопреобразование.

2.1. Теоретическая часть.

2.2. Экспериментальная часть.

Глава

Методика измерений массовых концентраций диоксида азота и азотной кислоты (суммарно), оксида азота, триоксида серы и серной кислоты (суммарно), диоксида серы, хлороводорода, фтороводорода, ортофосфорной кислоты и аммиака в пробах промышленных выбросов, атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны методом ионной хроматографии.

Глава

Исследования метрологических характеристик.

Глава

Натурные испытания и опытная эксплуатация ионохроматографического комплекса контроля воздуха и организованных газовых выбросов (Комплекс ИХВ)

Глава

Техноэкономическое обоснование.

Выводы.

Актуальность работы

Воздух является важнейшим компонентом окружающей среды, оказывающим наиболее сильное влияние на здоровье населения и состояние живой природы. Чистота воздуха и методы ее контроля регламентируются стандартами промышленно развитых стран, а также международными стандартами и соглашениями.

Российская Федерация активно участвует в разработке и принятии нормативных документов, регламентирующих качество воздуха. Нормирование контролируемых параметров воздушных сред в России организованно по трем номинациям:

• воздух атмосферный;

• воздух рабочих зон;

• газовые организованные источники.

В последнюю номинацию включены газовые выбросы всех видов моторных транспортных средств. Приоритетными экозагрязнителями воздуха и газовых выбросов помимо оксидов углерода являются: СЬ; F2; НС1; HF; N02; N204; S02; Р205; HN03; H2S04; H3P04; NH3; NaOH; KOH; NH4OH.

Измерение концентраций этих веществ традиционно проводится с помощью автоматических газоанализаторов, которые в некоторых простых случаях конструируются в виде многоканальных приборов. Например, приборы для контроля выбросов автотранспорта. Экологический контроль на основе широкой номенклатуры газоанализаторов с учетом необходимости их периодических поверок (2 раза в год) является делом весьма трудоемким и дорогостоящим, т.к. как правило, в воздухе реальных объектов одновременно присутствуют практически все из вышеперечисленных веществ. 4

В связи с этим организация контроля воздуха рабочих зон и организованных источников выбросов крупных промышленных предприятий сопряжена с большими трудностями.

В то же время методологическая проблема контроля этих веществ при одновременном их присутствии в растворах в ионной форме была успешно решена в 90-е года на основе ионной хроматографии [1,2].

Целью данной диссертационной работы является попытка решить задачу определения вышеперечисленных экозагрязнителей в воздушных средах при их одновременном присутствии с помощью одного прибора -переносного ионного хроматографа. Результаты удачного завершения этой работы были вполне предсказуемы: достижение более высоких экоаналитических и метрологических показателей при существенном сокращении затрат и уменьшении трудоемкости экологического контроля. Более того, ионная хроматография является узаконенным в России методом контроля катионо - анионного состава водных сред, поэтому ионные хроматографы имеются практически во всех экоаналитических лабораториях.

В аспекте вышеизложенного представленную работу следует считать достаточно актуальной. 5

Научная новизна

Общая методология ионохроматографического анализа водных сред с целью установления их катионо-анионного состава и количественных определений была разработаны в 90-х годах Ю.А. Золотовым, О.А. Шпигуном, Я.И. Яшиным [1,2,3] и др. Центральной идеей данной диссертационной работы является развитие этого научного базиса для создания методов и средств ионохроматографического анализа воздушных сред. Для реализации этой идеи было необходимо провести ряд исследований результаты, которых являются элементами научной новизны. Конкретно:

1. Предложено уравнение зависимости степени поглощения определяемых веществ из пузырьков воздуха водным раствором от объемной скорости и времени контакта, диаметра и длины поглотителя, а также от рН-раствора.

Экспериментально показано, что теоретическая модель Хигби [ 4 ] дает достаточно точные результаты только для газов с высокой степенью растворимости: НС1, HF, NH3 и др.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований создано устройство пробопреобразования для количественного перевода определяемых веществ в ионную форму.

3. Предложены и апробированы рецептуры поглощающих растворов для определения NH3; NaOH; КОН; NH4OH со значением рН в диапазоне 5-6.

4. Предложены и апробированы рецептуры поглощающих растворов для определения Cl2; F2; НС1; HF; N02; N204; S02; P205; HN03; H2S04; H3PO4 со значениями рН в диапазоне 8-9. 6

5. Предложена и апробирована методика анализа проб воздуха при высоком влагосодержании.

6. Предложена методика установления исходных форм экозагрязнителей-галогенов по результатам ионохроматографического анализа.

7. Предложена и метрологически аттестована методика определения NH3; NaOH; КОН; NH4OH; Cl2; F2; НС1; HF; N02; N204; S02; P205; HN03; H2S04; H3P04 в газовых средах при их совместном присутствии, реализуемая на ионохроматографическом комплексе. 7

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов количественного перевода газообразных экозагрязнителей: Cl2; F2; НС1; HF; N02; N204; S02; P205; HN03; H2S04; H3P04; NH3; NaOH; KOH; NFLiOH; в ионную форму при их взаимодействии с кислыми и основными жидкими поглотителями и ионохроматографическими элюентами.

2. Результаты реализации данных п.1 в виде конструктива ионохроматографического пробопреобразования с исследованием экоаналитических и метрологических характеристик.

3. Результаты разработки методики ионохроматографического определения экозагрязнителей по п. 1 при их совместном присутствии в газовой фазе. Исследование метрологических характеристик МВИ.

4. Результаты создания и исследования метрологических характеристик компьютеризованного комплекса "ИНЛАН-ИХ" для контроля экозагрязнителей по п. 1 в атмосферном воздухе, воздухе рабочих зон и газовых выбросах организованных источников. 8

Практическая значимость

1. Разработана, метрологически аттестована и внесена в Государственный реестр ПНД Ф Методика выполнения измерений массовых концентраций диоксида азота и азотной кислоты (суммарно), оксида азота, триоксида серы и серной кислоты (суммарно), диоксида серы, хлороводорода, фтороводорода, ортофосфорной кислоты и аммиака в пробах промышленных выбросов, атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны методом ионной хроматографии.

2. Разработан и государственно аттестован многоцелевой компьютеризованный ионохроматографический комплекс "ИНЛАН-ИХ", реализующий МВИ по п. 1.

3. Изделие "ИНЛАН-ИХ" решением МНР России включено в состав типовых стационарных и мобильных экоаналитических лабораторий и без замечаний эксплуатируется в Московской, Калужской, Курганской, Нижегородской и др. областях, а также на крупных промышленных предприятиях типа АМО «ЗИЛ» (г. Москва), Космодром «Плесецк» и др. 9

Выводы

1. На основе математической модели Хигби с учетом формулы Геддеса выведено уравнение зависимости полноты поглощения определяемых компонентов в системе «газ-жидкость» от совокупности конструктивных (диаметр и длина пробопреобразователя) и технологических (объем отбираемого газа, объемная скорость, время продувки рН-поглотительного раствора) параметров.

2. Проведены экспериментальные исследования макетов пробопреобразователей, которые показали несовершенство модели Хигби по отношению к относительно слабо воднорастворимым газам: N02 и S02. Результаты экспериментальных исследований позволили определить оптимальные конструктивные и технологические параметры процесса пробопреобразования газ-жидкость. Таковыми являются: длина и диаметр змеевика соответственно 8 и 1500 мм, объемная скорость в диапазоне 3-5 см3/сек, объем воздушной пробы соответствующей ПДК воздуха рабочей зоны 10-20 дм3.

3. Рассчитаны и экспериментально подтверждены параметры сверхкритического движения газовой фазы соответствуют перепаду давления на соплах вакуум-насоса 0,7 кг/см3, которые обеспечивают предел дополнительной погрешности объемной скорости от внешних условий на уровне 3-4 %.

4. Разработана методика выполнения измерений массовых концентраций диоксида азота и азотной кислоты (суммарно); оксида азота, триоксида серы и серной кислоты (суммарно); диоксида серы, хлороводорода, фтороводорода, отрофосфорной кислоты и аммиака в пробах промышленных выбросов, атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны методом ионной хроматографии и исследованы метрологические характеристики ионохроматографического контроля воздуха на содержание

134 вышеуказанных компонентов. Максимальная погрешность не превышает ±13 %, при допустимой по НТД - ±25 %.

5. Разработан ионохроматографический комплекс контроля воздуха и организованных газовых выбросов. Проведены натурные испытания и опытная эксплуатация в составе комплекса "ИНЛАН-ИХ".

6. По результатам опытной эксплуатации разработано техно-экономическое обоснование конкурентоспособности ионохроматографического контроля воздуха и организованных промышленных выбросов.

7. Ионохроматографические комплексы для контроля воздушных сред и организованных промышленных выбросов выпускаются серийно предприятиями ОАО НПО "Химавтоматика".

135

1. Шпигун О.А., Золотов Ю.А. «Ионная хроматография метод быстрого и избирательного определения ионов» обзор Заводская Лаборатория, 1981.

2. Шпигун О.А., Золотов Ю.А. «Ионная хроматография» Изд-во МГУ, 1990, 200 с.

3. Яшин Я.И. «Закономерности удерживания в ионной хроматографии» Журнал Физической химии, 1993, т. 67, № 4, 469-772 с.

4. Броунштейн Б.И., Фишвейн Г.А. «Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах» Л., Химия, 1977, 58-70 с.

5. Попов А.А., Рыжнев В.Ю., Челенко В.Г. «Ионохроматографический контроль воздуха объектов уничтожения химического оружия».

6. Иванова Г.Г., Иванов А.А., Кашин А.Н. «Ионохроматографическое определение органических фосфорсодержащих кислот, их тио- и дитиоаналогов», Журн. Аналитической химии, 1966, т. 51, № 6, 616-622 с.

7. Иванова Г.Г., Иванов А.А., Шпигун А.О. «Изучение реакции щелочного гидролиза фосфорсодержащих эфиров ионной хроматографией» Вестн. Моск. Ун-та, сер. 2, Химия 1998, т. 39, № 6, 399-403 с.

8. Байерман К. «Определение следовых количеств органических веществ"» М., МИР, 1987, 429 с.11. «Справочник физико-химических величин», изд. 8-е под ред. А.А.Равделя, Л., Химия, 1983, 232 с.

9. Броунштейн Б.И., Железняк А.С. «Физико-химические основы жидкостной экстракции», л., Химия, 1966, 320 с.

10. Варгафтик Н.Б. «Справочник по теплофизическим свойствам жидкостей и газов», М., Наука, 1972, 720 с.

11. Астарита Дж. «Массопередача с химической реакцией», пер. с англ., Л., Химия, 1971, 224 с.15 ГОСТ 8.207-76.16. «Труды метрологических институтов СССР», вып. 134, Изд-во стандартов, М., 1972, 94-96 с.

12. Попов А.А., Цветков Г.М., Хуснутдинов Д.С., Вершков «Методика расчета экономических параметров экоаналитических лабораторий» в сб. ЭЭ и ОС №6, М., 1998, 12.16 с.