Результат интеллектуальной деятельности: ПЕРЕДВИЖНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ АТМОСФЕРНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Изобретение относится к мобильным техническим средствам отбора и количественного химического анализа проб атмосферного воздуха и промышленных выбросов и может быть использовано в системе экологического мониторинга для оперативного и достоверного определения источников сверхнормативного загрязнения объектов окружающей природной среды на локальных городских территориях.

Цель изобретения - повышение эффективности городской системы экологического мониторинга атмосферных загрязнений.

Известна передвижная экологическая лаборатория фирмы «Кета», включающая газоанализаторы фирмы «Rosemount Analytical Inc» оксидов углерода (СО, СО₂), серы (SO₂), азота (NO, NO₂, NO_x), кислорода (O₂), а также набор калибровочных газов (в баллонах); систему отбора проб (набор зондов для отбора газов (паров) и на фильтры, обогреваемые пробоотборные шланги, холодильник для охлаждения и патроны для очистки и сушки отбираемого газа); оборудование для измерения аэродинамических параметров отбираемого газа (температуры, скорости, давления, разряжения и т.д.); электронные весы для взвешивания отобранных фильтров, сушильный шкаф для доведения фильтров до постоянного веса; персональный компьютер, описанная в [1].

Известна передвижная экологическая лаборатория «Экспресс-контроль» (см. Патент РФ на полезную модель №109573, кл. G01W 1/02, B60P 3/00, опубл. 20.10.2011 г.) с измерительным оборудованием (газоанализаторы окиси углерода, окислов азота, диоксида серы, сероводорода, аммиака, озона, анализатор пыли); метеокомплексом (выдвижная метеомачта, метеостанция с датчиками скорости и направления ветра, температуры, относительной влажности, атмосферного давления); комплексом обеспечения (автономный энергоузел, система кондиционирования и вентиляции) и системой отбора проб [2].

Недостатком вышеперечисленных лабораторий является их ограниченная область применения: первая предназначена только для оперативного определения концентраций и мощности выброса определенного количества загрязняющих веществ в источниках промышленных предприятий (в «трубах»), вторая - только для измерений уровня загрязнения атмосферного воздуха по некоторым параметрам в месте ее непосредственного расположения.

Прототипом передвижной лаборатории оперативного контроля атмосферных загрязнений (ПЛОКАЗ) урбанизированных территорий является лаборатория передвижная для экологического контроля окружающей среды (см. Патент РФ на полезную модель №57021, кл. G01W 1/02, B60P 3/00, опубл. 27.09.2006 г.), включающая контрольно-измерительную аппаратуру (газоанализаторы оксидов азота, оксида углерода, диоксида серы, углеводородов, сероводорода, пневматически подключенные через коллектор распределения воздушной пробы к воздухозаборному устройству), баллоны с газовыми смесями: NO/N₂, SO₂/N₂, СН₄/воздух, СО/воздух, диффузионные источники микропотоков NO₂, SO₂, Н₂S; генератор газовых смесей, вентили, ротаметры, газовые магистрали, компас, метеокомплекс с блоком датчиков скорости и направления ветра, температуры, относительной влажности, блок детектирования гамма-излучения, соединенный с подъемным устройством выдвижной метеомачты, выносные средства отбора проб воздуха, донных отложений и почвы, природных и сточных вод, автономный энергоузел, средства жизнеобеспечения (кондиционер, обогреватели, источник бесперебойного питания с комплектом внешних аккумуляторных батарей, вентиляторы, огнетушитель), холодильник для хранения отобранных проб воздуха, воды, почвы и реактивов [3].

Недостатками прототипа являются:

- отсутствие контрольно-измерительного оборудования для проведения одновременных с замерами атмосферного воздуха отбора и количественного химического анализа (в т.ч. и с помощью газоанализаторов) проб промышленных выбросов непосредственно в предполагаемом i-ом источнике загрязнения (в «трубе»);

- отсутствие возможности проведения одновременного с замерами концентраций вредных веществ контроля параметров газовоздушной смеси (температуры, влажности и скорости газового потока) непосредственно на предполагаемом i-ом источнике сверхнормативного загрязнения (в «трубе»);

- отсутствие специального аналитического оборудования (газового хроматографа, хромато-масс-спектрометра, ионного хроматографа и хроматографа ВЭЖХ) для проведения комплексных исследований атмосферного воздуха и промышленных выбросов (а при необходимости - воды и почвы);

- отсутствие возможности проведения расчетов процентного вклада выбросов предполагаемого i-го источника в общий уровень загрязнения воздушной среды на локальной городской территории путем непрерывного сопоставления и моделирования с помощью ПК процессов рассеивания вредных веществ по результатам прямых замеров атмосферного воздуха и промышленных выбросов;

- отсутствие возможности проведения одновременных исследований атмосферного воздуха и промышленных выбросов из-за расположения всего контрольно-измерительного оборудования в одном транспортном средстве.

В основу изобретения положена задача создания нового технического средства, обладающего возможностью и всем необходимым контрольно-измерительным оборудованием для одновременного отбора, идентификации и количественного химического определения (в т.ч. и использованием различных газоанализаторов) вредных веществ в пробах атмосферного воздуха и промышленных выбросов непосредственно в месте его расположения. Такое техническое решение обеспечит надежное и оперативное обнаружение предприятий - источников сверхнормативного загрязнения объектов окружающей природной среды и тем самым повысит эффективность городской системы экологического мониторинга.

Указанный технический результат изобретения достигается созданием ПЛОКАЗ, состоящей из автомобиля-носителя (АН) с высокой пластиковой крышей и колесной формулой 4х4 и прицепа (П).

Автомобиль-носитель ПЛОКАЗ представляет собой модернизированную Лабораторию передвижную для экологического контроля окружающей среды (Патент РФ на полезную модель №57021, кл. G01W 1/02, B60P 3/00, опубл. 27.09.2006 г.), содержащую контрольно-измерительную аппаратуру (газоанализаторы оксидов азота, оксида углерода, диоксида серы, углеводородов, сероводорода (1), пневматически подключенные через коллектор распределения воздушной пробы к воздухозаборному устройству (8)), баллоны с газовыми смесями (2): NO/N₂, SO₂/N₂, CH₄/воздух, СО/воздух, диффузионные источники микропотоков NO₂, SO₂, Н₂S; генератор газовых смесей, вентили, ротаметры, газовые магистрали, компас, метеокомплекс (3) с блоком датчиков скорости и направления ветра, температуры, относительной влажности, блок детектирования гамма-излучения (3а), соединенный с подъемным устройством выдвижной метеомачты (3б), выносные средства отбора проб воздуха, донных отложений и почвы, природных и сточных вод (10), автономный энергоузел (4), средства (5) жизнеобеспечения (кондиционер, обогреватели, источник бесперебойного питания с комплектом внешних аккумуляторных батарей, вентиляторы, огнетушитель), холодильник (6) для хранения отобранных проб воздуха, воды, почвы и реактивов [3], и дооснащенную комплектом стационарных газоанализаторов (7) на аммиак, массовую концентрацию взвешенных частиц, массовую концентрацию взвешенных частиц (пыли) размером 10 мкм и менее, массовую концентрацию взвешенных частиц (пыли) размером 2,5 мкм и менее; стационарным пробоотборным комплексом (9), включающим аспираторы для автоматического отбора проб воздуха, паров и аэрозолей на поглотители Рихтера, сорбционные трубки и т.д.; переносным комплектом оборудования (11) для измерения физических параметров (шумомером, виброметром и т.д.); навигационным комплексом для приема и визуализации данных о месте расположения лаборатории на карте местности и окружающей обстановки; оборудованием для фото- и видеосъемки; оборудованием для сбора, обработки, анализа данных и расчетов процентного вклада выбросов предполагаемого i-го источника в общий уровень загрязнения воздушной среды на локальной городской территории путем непрерывного сопоставления и моделирования с помощью ПК процессов рассеивания вредных веществ по результатам прямых замеров атмосферного воздуха и промышленных выбросов с учетом реальных метеопараметров (12).

В комплект контрольно-измерительной аппаратуры автомобиля-носителя также входят хромато-масс-спектрометр (ХМС), ионный (ИХ) и жидкостной хроматографы (ЖХ), атомно-абсорбционный спектрометр (ААС), аналитические весы (АВ), метеокомплекс (13) для контроля температуры, влажности и атмосферного давления внутри автомобиля-носителя.

Вспомогательное оборудование автомобиля-носителя дополнительно включает вытяжной шкаф (14) с электроплиткой (15), сушильным шкафом (16) или муфелем и раковиной (17) и размещенными под ним выдвижными ящиками для хранения лабораторных принадлежностей и реактивов.

Прицеп ПЛОКАЗ представляет собой павильон с высокой пластиковой крышей, разделенный перегородкой на аналитический и хозяйственный отсеки и предназначенный для отбора и количественного химического анализа проб промышленных выбросов предполагаемого i-го источника с последующей оперативной передачей результатов замеров посредством мобильного Интернета в ПК, установленный в автомобиле-носителе для сбора, обработки, анализа данных и расчетов процентного вклада выбросов этого i-го источника в общий уровень загрязнения воздушной среды на локальной городской территории.

Контрольно-измерительная аппаратура аналитического отсека прицепа включает газоанализаторы кислорода, оксидов азота, оксидов углерода, диоксида серы, углеводородов, сероводорода и аммиака в промышленных выбросах (18); переносную и стационарную систему (19) отбора проб промышленных выбросов (набор зондов для отбора газов (паров) и на фильтры, обогреваемые пробоотборные шланги, холодильник для охлаждения и патроны для очистки и сушки отбираемого газа, аспираторы); переносное оборудование для измерения аэродинамических параметров (20) непосредственно в источнике промышленных выбросов (температуры, скорости, давления, разряжения и т.д.); а также хромато-масс-спектрометр, ионный и жидкостной хроматографы, атомно-абсорбционный спектрометр, аналитические весы.

Вспомогательное оборудование аналитического отсека прицепа включает компьютер (21), холодильник (22), вытяжной шкаф (23) с выдвижными ящиками для хранения лабораторных принадлежностей и реактивов и с размещенными в нем электроплиткой (24), сушильным шкафом (25) или муфелем и раковиной (26).

В оборудование хозяйственного отсека прицепа входят баллоны с газовыми смесями (27), вентили, ротаметры, газовые магистрали, метеокомплекс (28) для контроля температуры, влажности и атмосферного давления внутри прицепа, а также автономный энергоузел (29) и средства (30) жизнеобеспечения (кондиционер, обогреватели, источник бесперебойного питания с комплектом внешних аккумуляторных батарей, вентиляторы, огнетушитель).

Общее количество членов экипажа ПЛОКАЗ - не более 5-ти человек, в том числе 1 водитель, 2 оператора автомобиля-носителя и 2 оператора прицепа.

ПЛОКАЗ работает следующим образом. Автомобиль-носитель с прицепом с помощью навигационного комплекса перемещается в заданную точку исследования. Прицеп при этом располагается в непосредственной близости от предполагаемого i-ого промышленного источника сверхнормативного загрязнения, а автомобиль-носитель - на локальной урбанизированной территории, с которой поступил сигнал о загрязнении i-ым промышленным источником атмосферного воздуха (или другого объекта окружающей природной среды).

Оборудование автомобиля-носителя приводится в рабочее состояние, включается электроснабжение, выдвигается метеомачта, производятся отбор и экспресс-анализ проб атмосферного воздуха с помощью газоанализаторов, отбор проб воды и почвы (в случае необходимости), количественный химический анализ отобранных проб с помощью хромато-масс-спектрометра, ионного и жидкостного хроматографа, атомно-абсорбционного спектрометра, детектирование гамма-излучения, замеры физических (шума, вибрации и т.д.) и метеорологических (температуры, влажности, атмосферного давления, скорости и направления ветра) параметров, автоматическая передача результатов исследования в ПК.

Оборудование прицепа также приводится в рабочее состояние и включается электроснабжение. На предполагаемом i-ом промышленном источнике сверхнормативного загрязнения монтируется пробоотборная линия, состоящая из обогреваемых шлангов, холодильника для охлаждения и патронов для очистки и сушки отбираемого газа, производятся:

- экспресс-анализ проб промышленных выбросов с помощью газоанализаторов;

- отбор и дальнейший количественный химический анализ отобранных проб с помощью хромато-масс-спектрометра, ионного и жидкостного хроматографа, атомно-абсорбционного спектрометра;

- замеры аэродинамических параметров для определения мощности выброса вредных веществ (г/с);

- автоматическая передача результатов исследования посредством мобильного Интернета в ПК, установленный в автомобиле-носителе.

В автомобиле-носителе происходит непрерывное сопоставление с помощью ПК данных компонентно-концентрационного состава проб промышленных выбросов и атмосферного воздуха (воды и почвы), получаемых в режиме реального времени с оборудования ПЛОКАЗ и одновременный расчет процентного вклада выбросов i-го источника в общий уровень загрязнения локальной урбанизированной территории.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, представленными на фиг.1.

Технический результат: повышение эффективности системы городского экологического мониторинга за счет надежного и оперативного определения источников сверхнормативного загрязнения объектов окружающей природной среды.

Использованная литература

1. Воронин С.С., Разяпов А.З. Мобильные лаборатории контроля атмосферных загрязнений и промышленных выбросов [Текст] / С.С.Воронич, А.З.Разяпов // Экология и промышленность России [Текст]: ежемесяч. обществ, науч. - техн. журн. / учредители: РАН, ГУ - Моск. ин-т стали и сплавов (Технолог. ун-т), ЗАО «Калвис». - М.: ЗАО «Калвис», 2009, июнь. - ISSN 1816-0395

2. Патент РФ на полезную модель №109573, кл. G01W 1/02, B60P 3/00, опубл. 20.10.2011 г. Авторы: Овчинников И.Ю.; Шаховнин А.П.; Ледяев Д.И.; Соколов В.М.

3. Патент РФ на полезную модель №57021, кл. G01W 1/02, B60P 3/00, опубл. 27.09.2006 г. Авторы: Герасимов И.А.; Кантюков Р.А.; Полуэктов В.П.; Равикович В.И.; Серов А.В.; Ставкин Г.П.; Ярыгин Г.А.