Тема 3.1 Фізико-хімічні методи моніторингу атмосфери

Механические методы. Объемно-манометрические газоанализаторы, несмотря на универсальность, избирательность и простоту эксплуатации, неприемлемы из-за низкой чувствительности (0,1 мг/л), невысокой точности, большой длительности анализа, невозможности эксплуатации в условиях тряски и вибрации.

Магнитные методы. Область применения этих методов ограничена анализом газов, обладающих парамагнитными свойствами (O₂, NO, NO₂, N₂O), они отличаются невысокой точностью, малой чувствительностью (0,1 мг/л) и для контроля не пригодны.

Тепловые методы. Термокондуктометрический метод характерен непрерывностью анализа, пригодностью для телеизмерений, неограниченностью диапазона измерений, возможностью анализа химически инертных компонентов, наибольшей предпочтительностью для измерения таких агрессивных газов, как SO₂, Сl₂, НС1, H₂S и др. Наряду с этим метод обладает и существенными недостатками, затрудняющими применение в автоматических системах контроля: высокий порог чувствительности при анализе малых концентраций, как правило, превышающий санитарные нормы; большая инерционность; нелинейность градировочной характеристики; электрическая зависимость коэффициента теплопроводности от окружающих условий (колебания атмосферного давления, скорости газообмена, температуры газовой среды, тока источника питания, вибрации и др.).

Электрические методы. Высокая чувствительность (1 мг/м³ и лучше) и стабильность – весьма важные достоинства электрических методов. Большинство ионизационных методов являются недостаточно специфичными, требуют предварительного хроматографического разделения пробы. Отличается высокой чувствительностью, малой инерционностью, возможностью избирательного контроля большего числа газовых микропримесей. Недостаток его – низкая избирательность к отдельным органическим компонентам при совместном присутствии. В этом случае газоанализатор определяет либо их сумму, либо концентрацию определенных компонентов.

Оптические методы. Из абсорбционных методов ультрафиолетовый метод имеет сравнительно меньшее распространение в связи с ограниченной избирательностью. Большинство приборов предназначено для определения содержания в воздухе паров ртути и хлора, известны ультрафиолетовые анализаторы для нитробензола и озона. Более предпочтителен с точки зрения избирательности ультрафиолетовый метод. Избирательность, высокая чувствительность, быстродействие, пригодность для непрерывных измерений, большой выходной эффект при малых приростах концентраций анализируемого газа обусловливают перспективность его для контроля 3В, несмотря на сложность инструментальных средств. Турбидиметрический, нефелометрический и радиоспектроскопический методы не получили широкого распространения для непрерывного контроля 3В. Применение анализаторов, основанных на поглощении газов лучистой энергии в видимой области спектра, вообще ограничено. В практике известны только приборы для измерения больших концентраций окислов азота.

Интерферометрический метод применим лишь для бинарных смесей. Он получил распространение для лабораторных аналитических установок высокой точности, главным образом для переносных ручных газоанализаторов. Попытки обнаружения интерферометром примесей с близкими спектрами с помощью логических схем и параллельных активных фильтров приводят к неоправданно сложным конструктивным решениям. Рефрактометрический метод отличается высокой точностью, но, как и интерферометрический, не обладает избирательностью. Он используется преимущественно для анализа бинарных смесей. Эмиссионный метод используется в основном для определения концентраций инертных газов в бинарных смесях.

Люминесцентный анализ — один из самых высокочувствительных и быстрых физико-химических методов обнаружения и идентификации органических и неорганических веществ. Сохраняя избирательность фотоколориметрии, флуоресцентный метод позволяет значительно повысить чувствительность. Однако люминесцентный анализ, как правило, осуществляется с помощью лабораторных приборов и применяется для автоматического контроля. Разновидность люминесцентного метода – хемилюминесцентный – не обладает избирательностью.

Масс-спектрометрические методы. Общим достоинством этих методов является прецизионность, избирательность и высокая чувствительность анализа не только газов, но и твердых и жидких аэрозолей, способных переходить в газообразное состояние при давлении 30 – 40 мм рт. ст., что в определенной мере обусловливает универсальность методов. Недостаток – громоздкостью проборов, высококвалифицированное обслуживание.

Абсорбционные методы. Недостатком всех разновидностей этих методов, кроме теплодинамического, является периодичность анализа. Тем не менее, газовые хроматографы наиболее универсальны из всех современных аналитических приборов, предназначенных для определения состава многокомпонентных газовых смесей. Сравнительная простота аппаратуры и возможность автоматизации делают метод перспективным для контроля 3В. Особенно большие возможности открывает комбинация хроматографического и масс-спектрометрического методов.

Аэродинамический метод пригоден для измерения концентраций пыли более 500 мг/м³, предпочтителен для непрерывного контроля запыленности дымовых газов. Акустический метод отличается невысокой точностью: затухание звука зависит от многих параметров контролируемой среды – влажности, температуры, давления, вязкости и др. Оптический метод, в частности фотометрический, может обеспечить высокую чувствительность анализа при небольших скоростях движения среды (0,05 – 0,5 – 6 м/с), достаточную точность, стабильность и надежность показаний. Радиоактивный метод позволяет осуществить анализ пыли в диапазоне 0—50 мг/м³ с точностью 5%. Несмотря на сложность конструктивных решений, затрудняющих их использование в некомфортных условиях, высокая чувствительность радиоактивного метода обусловливает его перспективность для санитарно-химического контроля 3В.

Применение лазеров дало новый могущественный толчок к развитию ОА-метода. Одной из наиболее важных областей применения ОА-метода лазерной спектроскопии это анализ количеств атомов и молекул. Наиболее эффективный этот метод при детектировании примесей в газовых средах, в том числе в воздухе. Разработаны опытные промышленные образцы лазерных оптико-акустических спектрометров и газоанализаторов, которые успешно используют для контроля загрязнений воздуха, технологических процессов. Этот наиболее рациональный путь создания газоанализаторов, которые работают в ИК области спектра. Метод имеет высокую селективность и чувствительность.