Концентрацию пыли определяют просто: масса осадка на фильтре, делённая на объём газа при нормальных условиях. Сложность не в формуле, а в том, чтобы масса относилась именно к тому газу, который прошёл через сечение, а не к пыли с рук, конденсату или осадку в зонде. Поэтому в пособии половина требований касается не расчёта, а фильтра, его подготовки и взвешивания.
Суть метода
Пробу отбирают из основного потока в установленных точках в течение измеряемого периода при контролируемом изокинетическом расходе. Через фильтр проходит известный объём пылегазового потока; фильтр, предварительно взвешенный, после отбора сушат и взвешивают повторно. Разность масс — масса уловленной пыли, отношение массы к объёму газа при нормальных условиях — концентрация.
Пособие определяет пыль как всё, что собрано в системе отбора на фильтре и перед ним в заданных температурных условиях и остаётся после осушки. Это важно для практики: осадок на стенках зонда и насадки — тоже пыль, и его нужно либо взвешивать вместе с фильтром, либо смывать и добавлять к осадку. Если этого не сделать, концентрация окажется заниженной, причём тем сильнее, чем крупнее и тяжелее частицы.
Фильтрование бывает внутри газохода и за его пределами. Внутри фильтр стоит при температуре потока, и при каплях воды он может закупориться; за пределами — фильтродержатель подогревают и регулируют температуру. При насыщенном влагой газе или заметном содержании SO3 пособие рекомендует фильтрование за пределами газохода.
Требования к фильтрам
Главное требование — эффективность более 99,0 %, полученная на контрольном аэрозоле со средним диаметром частиц 0,3 мкм при максимальном ожидаемом расходе. Эффективность должна быть удостоверена производителем: фильтр, купленный «на глаз», для количественного метода не годится.
Материал не должен адсорбировать или вступать в реакции с газообразными соединениями пробы и должен выдерживать максимальную ожидаемую температуру. Пособие разбирает варианты. Стекловолокно может реагировать с кислотными соединениями, например с SO3, и масса фильтра растёт — там, где это возможно, его не применяют. Кварцевые фильтры эффективны в большинстве случаев, хотя механически непрочны. ПТФЭ эффективен, но температура газа не должна превышать указанную производителем. Фильтры с органическим связующим требуют контроля потерь массы при нагревании.
Размер фильтра пособие не задаёт в миллиметрах: его выбирают по максимальной массе твёрдых частиц, которую фильтр способен удержать, чтобы не потерять пыль из-за перегрузки. Этот предел указывает производитель. Перепад давления на фильтре и его рост по мере осаждения пыли тоже зависят от вида фильтра: при скорости фильтрования 0,5 м/с ожидаемый перепад составляет от 3 до 10 кПа.
Отдельно учитывают зольность и гигроскопичность. Если фильтр потом минерализуют, зола самого фильтра попадёт в результат, поэтому чистый материал проверяют на присутствие определяемых веществ — пособие требует этого прямо, если планируется анализ состава пыли. Гигроскопичный материал набирает влагу из воздуха и меняет массу между взвешиваниями; с этим борются кондиционированием и быстрым взвешиванием. Для ПТФЭ добавляется электростатика: заряды снимают или нейтрализуют перед взвешиванием.
Подготовка до отбора
Взвешиваемые части сушат в сушильном шкафу не менее 1 часа при 160 °С. После осушки фильтры помещают в эксикатор, находящийся в помещении для взвешивания, не менее чем на 8 часов. Для частей большего размера и для сосудов может потребоваться до 12 часов. Смысл один: фильтр должен прийти к тем же условиям, при которых его взвешивали до отбора, иначе разность масс будет описывать не пыль, а влажность.
Сушильный шкаф должен держать заданную температуру с отклонением в пределах ±5 °С. Фильтры переносят пинцетом, хранят в закрытом контейнере, защищённом от загрязнения и электростатики. Запасные фильтры и фильтры для нулевой пробы готовят по той же процедуре, что и рабочие, — иначе сравнивать их нельзя.
Кондиционирование и взвешивание фильтров
Требование к весам пособие задаёт не классом точности, а разрешением: от 0,01 до 0,1 мг, с диапазоном, соответствующим массе взвешиваемых частей. Погрешность взвешивания фильтра — в пределах по крайней мере ±0,1 мг. Этого достаточно, чтобы разность масс в несколько миллиграммов не утонула в погрешности, но только если весы стоят в помещении без вибрации, сквозняков и резких изменений температуры и влажности. Рядом должны быть термометр, влагомер и барометр, а в помещении — эксикатор с осушителем.
Перед каждой серией взвешиваний пособие требует калибровать весы по эталонам массы, взвешивать контрольные части, подготовленные так же, как рабочие, но хранившиеся чистыми, и записывать климатические условия. Контрольные части — не формальность: по ним видно дрейф весов и поправку на изменение барометрического давления, особенно при взвешивании объёмных сосудов.
Взвешивают быстро — в течение 1 минуты после извлечения из эксикатора. Затем регистрируют ещё два результата с интервалами 5 секунд после первого. Если показания заметно плывут из-за гигроскопичности или летучести материала, применяют специальную процедуру, вплоть до экстраполяции к исходным условиям. Электростатические заряды снимают, а различия температуры фильтра и воздуха не допускают: они сбивают настройку весов.
Численного допуска на расхождение повторных взвешиваний одного фильтра пособие не приводит. Оно задаёт другое: повторяемость обеспечивают калибровкой весов, контрольными частями и записью условий, а конкретный критерий расхождения устанавливают в методике или внутренней процедуре лаборатории. Поэтому в журнале фиксируют все три результата, а не только последний.
Время отбора и минимальная масса
Время отбора на один фильтр зависит от запылённости и обычно составляет 5–20 минут: чем больше пыли, тем короче отбор. На газоходе должно быть отобрано не менее трёх фильтров; если время пришлось сократить, количество фильтров увеличивают до 4–8. Общее время отбора при этом остаётся не менее 20 минут, а время в каждой точке — одинаковым.
Минимальная масса не задана в миллиграммах: критерий пригодности — масса пыли должна как минимум в пять раз превышать значение нулевой пробы. Нулевую пробу отбирают после каждой серии или хотя бы раз в день, без включения насоса, удерживая насадку под углом 180° к потоку в течение 15 минут. Она учитывает загрязнение фильтров и промывных растворов на всех этапах — от поля до лаборатории.
Если ожидаемая концентрация известна, время считают от нужной массы: объём пробы равен массе, делённой на концентрацию, а время — объёму, делённому на расход. Например, при ожидаемых 50 мг/м³ и желаемых 10 мг на фильтре нужно 0,2 м³, или 200 л; при расходе 30 л/мин это около 7 минут. Цифры здесь иллюстративные, но порядок расчёта именно такой.
Для нестационарных выбросов пособие требует отбирать не менее трёх проб продолжительностью 20 минут. Если фактические выбросы, определённые в разные периоды, отличаются более чем в два раза, нестационарность учитывают отдельно по каждому веществу.
Что искажает результат
Температура. Слишком холодная линия даёт конденсат, слишком горячая может разрушить фильтр или ускорить испарение летучих веществ. Пособие рекомендует температуру фильтрования около газохода или (160 ± 5) °С для внешней фильтрации; конкретное значение выбирают по методике и свойствам пробы.
Влага. Капли воды закупоривают фильтр и растворяют часть пыли. После конденсора и осушителя остаточная влажность должна быть менее 10 г/м³ при максимальном расходе. Если в потоке есть капли, фильтрование внутри газохода не применяют.
Потери в зонде и трубках. Чем длиннее путь от насадки до фильтра, тем больше пыли оседает на стенках. Поэтому при внутренней фильтрации часть трубки между насадкой и фильтром делают минимальной, внутренние поверхности — гладкими и полированными, соединений — как можно меньше, а изменения диаметра — коническими, без ступенек. Осадок выше по потоку от фильтра смывают и добавляют к массе; если его не учитывать, результат занижается.
Химические реакции. Диоксид серы в холодной влажной части системы может дать сульфат кальция или аммония — масса растёт, результат завышается. Кислоты, например фтористый водород, разрушают стеклянные части — масса падает, результат занижается. Летучие вещества испаряются с фильтра, пока через него идёт горячий газ, — тоже занижение.
Подсос и утечки. Разбавляют пробу и занижают концентрацию. Проверка до и после отбора: расход при закрытой насадке не более 2 % нормального при максимальном вакууме, иначе измерение недействительно.
Конденсат: что делать
Конденсат — частая причина испорченной пробы. Вода в пробоотборной линии не только растворяет часть пыли, но и меняет объём: счётчик считает влажный газ, а концентрацию выражают на сухой. Поэтому при наличии капель переходят на фильтрацию за пределами газохода, греют зонд и корпус фильтра, контролируют температуру, а влагу улавливают в конденсоре и осушителе до счётчика.
Если после отбора на фильтре видны пятна от влаги или следы давления, испытание признают недействительным: часть пыли могла уйти в конденсат. То же правило действует при видимых повреждениях фильтра. Промывные растворы не выливают: осадок из них учитывают при взвешивании. Но если часть пыли ушла с конденсатом, это уже не компенсировать — пробу признают недействительной.
Этап → что может пойти не так → как проверить
| Этап | Что может пойти не так | Как проверить |
|---|---|---|
| Подготовка фильтра | загрязнение, потеря массы, касание руками | пинцет, закрытый контейнер, нулевая проба, осмотр |
| Осушка и кондиционирование | недосушка или пересушка, набор влаги | 160 °С не менее 1 ч, эксикатор не менее 8 ч, запись условий |
| Взвешивание | дрейф весов, статика, сквозняк, разница температур | калибровка по эталонам, контрольные части, три результата, 1 минута |
| Отбор пробы | неизокинетичность, неравное время по точкам | расход каждые 5 минут, vn/vs в пределах 0,95–1,15, одинаковое время |
| Герметичность линии | подсос воздуха, разбавление пробы | проверка утечек до и после, не более 2 %, сравнение O2 |
| Фильтр в работе | перегрузка, порыв, закупорка | предел нагрузки производителя, осмотр, при необходимости короче отбор |
| Осадок в зонде | потери выше по потоку от фильтра | промывка и добавление осадка, гладкая короткая линия |
| Влага и конденсат | растворение пыли, закупорка фильтра | обогрев, осушитель, остаточная влажность менее 10 г/м³, осмотр фильтра |
| Учёт объёма | не записаны температура и давление счётчика | запись каждые 5 минут, барометр, приведение к н.у. |
| Нулевая проба | нет оценки загрязнения и предела обнаружения | проба после серии или раз в день, масса пыли не менее чем в 5 раз выше нулевой |
Расчёт концентрации и приведение к н.у.
Концентрацию считают по формуле C = m/V, где m — масса пыли, V — объём сухого газа при нормальных условиях. Если масса в миллиграммах, а объём в кубических метрах, результат получается в мг/м³. Нормальные условия по пособию — 0 °С, 101,325 кПа (округлённо 101,3 кПа), сухой газ.
Объём приводят от условий счётчика: Vн = Vизм · 273/(273 + T) · (Pатм − Pразр)/101,325. Если счётчик стоит после осушителя, он уже считает сухой газ; если до осушителя, объём дополнительно умножают на 0,804/(0,804 + fN).
Пример. Фильтр до отбора весил 0,15000 г, после — 0,17480 г, значит масса пыли 24,8 мг. Счётчик показал 0,679 м³ при 20 °С, атмосферном давлении 101,3 кПа и разряжении 2,0 кПа. Приводим объём: 0,679 · 273/293 · 99,3/101,325 = 0,620 м³. Концентрация: 24,8/0,620 = 40,0 мг/м³.
Если методика требует привести результат к референтному содержанию кислорода (например, к 1,4 % O2), используют формулу методики: Cприв = C · (21 − O2 реф)/(21 − O2 изм). При измеренных 8,0 % O2 и референтных 1,4 % получаем 40,0 · 19,6/13,0 = 60,3 мг/м³. Пособие требует лишь измерять O2 или CO2 вблизи плоскости отбора, если приведение нужно; само референтное значение берут из методики или норматива для данного источника.
Последний шаг — выброс: концентрацию умножают на объёмный расход сухого газа при нормальных условиях. Но это уже расчёт выброса, а не концентрации; главное, чтобы масса и объём относились к одному и тому же отбору.