Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ГРАВИТАЦИОННОГО ОСЕДАНИЯ ЧАСТИЦ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЫ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов, а именно к определению скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы с помощью нейтронно-активационного анализа мхов-биомониторов.

Известен способ определения скорости гравитационного оседания частиц летучей золы, основанный на седиментометрическом принципе [1. П.А. Коузов, Л.Я. Скрябина. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. Л.: Химия. 1983. - С. 37-50]. Данный способ включает две операции: а) отбор представительной пробы частиц летучей золы; б) диспергирование золы в жидкой или газообразной неподвижной среде. В зависимости от измеряемой величины существует несколько модификаций данного способа. Например, скорость гравитационного оседания частиц летучей золы определяют с помощью номограмм по массе дисперсной фазы, выпадающей на чашечку весов из столба суспензии и накопленной к заданным моментам времени. При электрофотоседиментрии скорость гравитационного оседания частиц летучей золы определяют с помощью калибровочной кривой по зависимости интенсивности пучка света, проходящего на заданном уровне столба суспензии по мере осаждения дисперсной фазы.

Недостатки способа

1. Этим способом определяют скорость гравитационного оседания частиц в неподвижной среде. В атмосфере, когда воздушные массы находятся в непрерывном движении, на скорость оседания влияют еще и аэродинамические свойства частиц.

2. Скорость гравитационного оседания зависит от дисперсного состава пыли. А дисперсный состав уловленной пыли и пыли, содержащейся в атмосферном воздухе, может сильно отличаться.

3. Из-за сравнительно малых концентраций пыли в атмосферном воздухе время пробоотбора составляет не менее нескольких суток.

Известен способ определения скорости гравитационного оседания частиц летучей золы [1, с. 51-67], основанный на центробежной сепарации частиц летучей золы в процессе движения пылегазового потока по вращающемуся ротору и определении массы осадка на различных расстояниях от начала протяженного канала ротора. Исходя из измеренного распределения массы осадка по длине канала, с помощью калибровочного графика рассчитывают дисперсионный состав летучей золы, а затем, используя номограммы, при известной плотности частиц золы и температуре пылегазового потока, определяют скорость гравитационного оседания. Калибровочный график строят для заданной частоты вращения ротора, скорости движения запыленного потока по каналу ротора, плотности материала частиц и вязкости газа. Время экспозиции ротационного анализатора составляет 30-60 минут. За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений. Расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать 5% в области грубых фракций и 3% в области мелких (<2 мкм) фракций. В противном случае определение повторяют.

Основные недостатки способа

1. Этот способ малопригоден для измерения скорости гравитационного оседания непосредственно в атмосферном воздухе, так как его используют при достаточно высоких концентрациях пыли в потоке.

2. Аэродинамические свойства частиц, движущихся в турбулентной атмосфере и в пылегазовом потоке, могут сильно отличаться.

Неизвестны способы определения скорости гравитационного оседания летучей золы выбросов промышленных предприятий непосредственно в приземном слое атмосферы.

Задачей изобретения является разработка способа определения скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий непосредственно в приземном слое атмосферы.

Способ определения скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы заключается в том, что в заданном направлении от промышленного предприятия на разных расстояниях от 1 до 5 км отбирают не менее 5 образцов эпифитного мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. с коры берез, осин и тополей на высоте от 1,5 до 2 м. Кроме того, один образец мха отбирают на фоновой территории с природно-климатическими условиями, одинаковыми с исследуемой территорией, и удаленной на расстояние более 100 км от промышленных центров в направлении, противоположном преимущественной розе ветров.

Очищают образцы мха от инородных примесей, промывают дистиллированной водой, сушат при температуре от 80 до 100°C и гомогенизируют. Изготавливают от 5 до 10 параллельных представительных проб, подвергают их облучению потоком тепловых нейтронов в течение не более 5 часов. После спада активностей Na²⁴ до безопасного уровня определяют удельную активность каждой пробы путем сравнения интенсивности гамма-линий радионуклидов химических элементов в пробе с интенсивностью гамма-линий эталонов.

Значения концентраций химических элементов в образцах мхов, определенные с помощью нейтронно-активационого анализа, методом наименьших квадратов аппроксимируют зависимостью вида:

где q_ф - фоновая (природная) концентрация химического элемента в пробе, отобранной на территории, удаленной от промышленных предприятий на расстояние не менее 100 км;

х - расстояние от точек пробоотбора мхов до промышленного предприятия, определяя при этом численные значения эмпирических коэффициентов А, θ₁ и θ₂, затем рассчитывают скорость гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленного предприятия в приземном слое атмосферы по формуле:

где n - безразмерный параметр для интерполяции вертикального профиля скорости ветра: u(z)=u₁zⁿ,

где u₁ - среднегодовая скорость ветра на высоте 1 м;

z - высота от поверхности земли;

Н - высота трубы промышленного предприятия.

Эпифитный мох Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. имеет продолжительный жизненный цикл до 10-15 лет, высокие аккумуляционные способности, широкое распространение, высокую встречаемость в различных климатических зонах, произрастает на коре старых осин, берез и тополей, поэтому может быть отобран в зоне действия промышленных предприятий. Использование мхов, аккумулирующих частицы летучей золы выбросов промышленных предприятий, позволяет не проводить пробоотбор частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий, при котором меняется дисперсный состав частиц, а также искажаются их аэродинамические свойства.

Предложенный способ позволяет получить надежные результаты даже при сравнительно низких концентрациях загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, так как время экспозиции в зависимости от длины прироста используемого мха составляет от 2-3 до 10-15 лет.

Изготовление параллельных представительных проб из образцов отобранного эпифитного мха позволяет уменьшить погрешность в измерениях без существенного увеличения стоимости анализа. Использование 5-10 параллельных представительных проб для нейтронно-активационного анализа обеспечивает достоверное определение концентраций всех химических элементов в анализируемых пробах, что в свою очередь позволяет с большой точностью и объективностью построить зависимость концентрации химических элементов во мхах от расстояния до источника загрязнения и определить скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы.

На фиг. 1 представлена карта пробоотбора в зоне влияния угольной ТЭЦ-5 г. Новосибирска; цифрами обозначены точки пробоотбора.

На фиг. 2 представлена карта пробоотбора в зоне влияния Кандалакшского алюминиевого завода; цифрами обозначены точки пробоотбора.

В таблице 1 представлены средние значения концентраций Sm, Се, Sr, Cs, Fe, Zn, Sc, Co, U, Eu, Yb, накопленных во мхах, а также средние значения фоновых (природных) концентраций этих элементов (мкг/г) (угольная ТЭЦ-5).

В таблице 2 представлены средние значения концентраций Al, Ва, Со, Cu, Li, Mn, Na, Sr, Ti, V, накопленных во мхах, а также средние значения фоновых (природных) концентраций этих элементов (мкг/г) (алюминиевый завод).

На фиг. 3 точками изображены результаты измерений концентраций химических элементов во мхах, отобранных в северо-восточном направлении от ТЭЦ-5 г. Новосибирска, сплошными кривыми представлены результаты аппроксимации измеренных концентраций этих элементов, а горизонтальной линией изображены фоновые концентрации химических элементов во мхе Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G., где а) - Cs, б) - Eu.

На фиг. 4 точками изображены результаты измерений концентраций химических элементов во мхах, отобранных в северном направлении от Кандалакшского алюминиевого завода, сплошными кривыми представлены результаты аппроксимации измеренных концентраций для этих элементов, а горизонтальной линией изображены фоновые концентрации химических элементов во мхе Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G., где а) - Al, б) - V.

В таблице 3 представлены численные значения эмпирических коэффициентов А, θ₁, θ₂, среднегодовая скорость ветра u₁ на высоте 1 метр, параметр n, а также скорость гравитационного оседания частиц выбросов ТЭЦ-5 г. Новосибирска.

В таблице 4 представлены численные значения коэффициентов А, θ₁, θ₂, среднегодовая скорость ветра u₁ на высоте 1 метр, параметр n, а также скорость гравитационного оседания частиц выбросов Кандалакшского алюминиевого завода.

Образцы мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. в соответствии с розой ветров отбирали в северо-восточном направлении от ТЭЦ-5 г. Новосибирска в 2008 году с коры старых осин и тополей на высоте 1,5-2 метра от земли, что соответствует слою воздуха, которым дышит взрослый человек: два образца отбирали на расстояниях 1-1,5 км, три образца на расстояниях 2-4 км (при высоте трубы ТЭЦ-5 H=260 м) и два образца на расстояниях около 5 км (фиг. 1).

В соответствии с розой ветров образцы мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G отбирали в северном направлении от Кандалакшского алюминиевого завода в 2013 году на расстояниях 1-7 км через приблизительно равные отрезки пути (при высоте трубы КАЗ H=120 м) (фиг. 2).

Кроме того, по одному образцу мха отбирали на фоновых территориях, удаленных на расстояние более 100 км от промышленных центров в направлении, противоположном преимущественной розе ветров.

После отбора образцы мха предварительно очищали от земли и различных примесей, затем производили промывку дистиллированной водой. Далее образцы мха высушивали до постоянного веса в духовом шкафу при температуре 80°-100°. Затем образцы мха подвергали процессу гомогенизации и делали по 5-10 параллельных представительных проб методом квартования.

Для исследования концентраций тяжелых металлов и других микроэлементов в отобранных образцах мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. методом нейтронно-активационного анализа из каждой пробы были спрессованы таблетки. Для этого измельченный и перемешанный мох помещали в пресс-форму и использовали винтовой пресс. В результате были получены таблетки массой 0,1÷0,4 г диаметром 1 см. Все пробы взвешивали на аналитических весах и пронумеровывали. Каждую таблетку заворачивали в алюминиевую фольгу. Все пробы были разделены на несколько партий по 25-30 штук. Каждую партию заворачивали вместе со эталонами МАГАТЭ (листья березы - ЛБ-1 и листья табака - ТАБАК-5) в отдельную алюминиевую фольгу. Затем каждую упаковку помещали в пенал из алюминия высокой чистоты и облучали в канале реактора ВЭК-6 в потоке тепловых нейтронов плотностью 5·10¹³ нейтрон/см²·с в течение 5 часов. После окончания облучения пробы выдерживали в течение недели, что необходимо для спада активностей Na²⁴ до безопасного уровня, и распаковывали. Все пробы помещали в измерительные емкости, обозначенные порядковым номером каждой пробы. Удельные активности каждой анализируемой пробы измеряли на полупроводниковом гамма-спектрометре на базе полупроводникового детектора GC4020. Определение концентраций химических элементов проводили относительным методом, сравнивая интенсивности аналитических гамма-линий радионуклидов определяемых элементов с интенсивностью соответствующих гамма-линий эталонов, рассчитывали концентрации определяемых элементов [2. Кузнецов Рафаил Алексеевич. Активационный анализ / Р.А. Кузнецов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1974. - С. 37]. Время измерения составляло 1200-1800 секунд в зависимости от удельной активности измеряемых проб. Для обработки аппаратурных гамма-спектров была использована программа «Genia-2000», разработанная компанией CANBERRA. Таким образом, были определены средние концентрации следующих элементов в параллельных пробах мха, отобранных на территории угольной ТЭЦ-5 г. Новосибирска: Sm, Се, Sr, Cs, Fe, Zn, Sc, Co, U, Eu, Yb (таблица 1) и средние концентрации Al, Ва, Со, Cu, Li, Mn, Na, Sr, Ti, V в параллельных пробах мха, отобранных на территории алюминиевого завода (таблица 2). Погрешность измерений составила 15-20%.

Средние концентрации вышеперечисленных химических элементов в образцах, отобранных на разных расстояниях х от промышленного предприятия, с помощью метода наименьших квадратов аппроксимировали зависимостью вида [3. Радиоактивные выбросы в биосфере: справочник / Н.Г. Гусев, В.А. Беляев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 78. 4. Н.К. Рыжакова, В.Ф. Рапута, Н.С. Рогова, А.Л. Борисенко, Е.А. Покровская. Пространственное распределение химических элементов атмосферных выбросов угольной ТЭЦ // Экология и промышленность России, 2013, №1. - С. 52-55]:

где q_ф - фоновая (природная) концентрация химического элемента в пробе, отобранной на территории, удаленной от промышленных предприятий на расстояние не менее 100 км;

х - расстояние от точек пробоотбора мхов до промышленного предприятия;

А, θ₁, θ₂, - эмпирические коэффициенты, численные значения которых определены методом наименьших квадратов при аппроксимации измеренных концентраций химических элементов, содержащихся во мхах, функцией q(x) (таблица 2).

Концентрации химических элементов во мхах, накопленных за время экспозиции, пропорциональны их содержанию в приземном слое атмосферы, поэтому зависимость концентраций химических элементов во мхах от расстояния от источника имеет тот же аналитический вид, что и зависимость содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе [5. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнений атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - С. 32]. Тогда для эмпирических коэффициентов θ₁, θ₂ справедливы следующие выражения:

где V_g - скорость гравитационного оседания;

k₁ - коэффициент пропорциональности вертикальной диффузии;

n - безразмерный параметр для интерполяции вертикального профиля скорости ветра: u(z)=u₁zⁿ,

u₁ - среднегодовая скорость ветра на высоте 1 м;

z - высота от поверхности земли;

Н - высота трубы промышленного предприятия, м.

Из формул для коэффициентов θ₁, θ₂ следует выражение для скорости гравитационного оседания частиц летучей золы выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы:

Как видно из фиг. 3 и 4, зависимость концентраций химических элементов от расстояния х от источников загрязнения описывается функцией q(x) (сплошная кривая).

В таблице 3 приведены значения эмпирических коэффициентов А, θ₁ и θ₂ для разных химических элементов, определенные с помощью метода наименьших квадратов, а также значения скорости гравитационного оседания V_g частиц выбросов угольной ТЭЦ-5, при u₁=3,7 м/с, n=0,2 [6. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - С. 28] и высоте трубы ТЭЦ-5 H=260 м.

В таблице 4 приведены значения эмпирических коэффициентов А, θ₁ и θ₂ для разных химических элементов, определенные с помощью метода наименьших квадратов, а также значения скорости гравитационного оседания V_g частиц выбросов Кандалакшского алюминиевого завода, рассчитанные при u₁=2,3 м/с, n=0,2 [6, с. 28] и высоте трубы КАЗ H=120 м.