v ультрамикроскопические частицы радиусом меньше 1 мкм, видимые в ультрамикроскопе или в электронном микроскопе.
Диаметр частицы можно определить по скорости ее витания, или падения, в спокойном воздухе. Ну, а как же узнать, что собой представляет та или иная уловленная пыль? Прежде всего ее нужно суметь поймать. Чем тоньше пыль, тем сложней и дороже приборы, предназначенные для ее улавливания. На большинстве московских заводов созданы службы, следящие за работой пылеулавливающих установок. Чаще всего для взятия проб пыли они используют воздуходувку с присоединенными к ней ротаметрами -- стеклянными трубками, внутри которых находятся легкие алюминиевые колпачки. Резиновые шланги соединяют ротаметры с пылезаборными трубками, к ним же подсоединены расширители с предварительно взвешенными тончайшими фильтрами, сделанными из синтетических волокон.
Заметив время, лаборант устанавливает пылезаборные трубки в помещении, где необходимо отобрать пробу воздуха, и включает прибор. Воздуходувка начинает всасывать воздух по резиновым шлангам через ротаметры и фильтры. Проходя через стеклянные трубочки ротаметров, потоки отсасываемого воздуха поднимают алюминиевые колпачки. Чем больше объем отсасываемого воздуха, тем выше поднимаются колпачки. Лаборант следит, чтобы они находились на заданном уровне, соответствующем определенному расходу воздуха. По истечении заданного времени отсос воздуха прекращают и фильтры взвешивают. Узнав, насколько они потяжелели, лаборант делит полученную величину на количество пропущенного через фильтр воздуха. Например: привес фильтра 2 г, а пропущено через него 10 м3 воздуха. Выходит, запыленность в помещении катастрофически велика -- 200 мг/м3! Данные испытания передается вентбюро с предписанием срочно принять меры по обеспыливанию данного участка.
Несколько сложней отобрать пробу воздуха из газохода, по которому пыль летит с большой скоростью. Главное условие правильности отбора -- это создание в устье пылезаборной трубки, введенной в газоход, точно такой же скорости, как и в сечении газохода. Дело в том, что при более быстром заборе частиц мы будем брать не только те частицы, которые оказываются перед устьем, но и подсосем соседние. В результате количество попавших в фильтр частиц будет больше, чем фактически их было в газоходе. И наоборот, при низкой скорости отбора пробы пыли в устье трубки возникает воздушная пробка, мешающая попасть в фильтр всем частицам, которые оказались перед устьем трубки в момент отбора пробы. В результате проба окажется заниженной по сравнению с фактической запыленностью, которая в данное время была в газоходе.
Сложность, которую приходится преодолевать лаборантам при отборе проб,-выпадение росы в пылезаборной трубке. Конденсат попадает на фильтр и затрудняет просасывание воздуха. Нередко фильтр разрывается, и тогда опыты повторяют. Чтобы избежать этого, иногда приходится делать электроподогреватели для пылезаборных трубок или ставить специальные емкости для выделения конденсата из отсасываемой пробы воздуха.
Еще большие сложности лаборанты испытывают, когда требуется определить размеры пылинок в отобранной пробе. Возьмите ватный шарик и бросьте его с определенной высоты. Сколько времени потребовалось ему, чтобы достичь пола? Секунда? Меньше? Но то же количество ваты, если ее распушить на волокна, проделает этот путь не за одну, а за несколько секунд. Причина этого несовпадения -- сопротивление воздуха. Высота, с которой сбросили частицы, поделенная на время падения, называется скоростью витания. Чем она выше, тем легче поймать пылинки с соответствующим размером в поперечнике.
Но как измерить его? Что считать поперечником пылинки, если сами эти пылевые частицы имеют, как правило, самую разнообразную форму: это и спиральки, и пластиночки, и стержни. Для простоты расчетов ученые условились все пылинки считать шариками, а диаметры их определять в соответствии со скоростью витания. Чем она больше, тем, стало быть, больше диаметр пылинок. Условно пылинка с низкой скоростью витания -- это шарик диаметром 5 мкм, а фактически это может быть чешуйка с поперечником 50 мкм. Только падает она очень медленно из-за того, что парашютирует в воздухе. На практике почти нет монофракционных пылей -- с одинаковыми размерами всех частиц. Инженерам приходится иметь дело с полифракционными пылями, и скорости витания их отдельных частиц разнятся в десятки раз. Особенно заметно это во время "залповых" пылевых выбросов, связанных с падением больших масс земли, когда крупные песчинки сразу падают на землю, а мелкие фракции глины еще долго парят над карьером. На основе сравнения скорости витания пылинок с их диаметрами разработан и метод исследования -- воздушная сепарация в вертикальных цилиндрах. Принцип ее действия заключается в том, что исследуемую пыль вводят в воздушный поток, имеющий постоянную скорость. При этом мелкие частицы выносятся из цилиндра, а остальные падают вниз. Оставшуюся, пыль пропускают через другой цилиндр с более высокой скоростью, и вновь в нем оседает только часть пробы. Пропустив навеску пыли через несколько цилиндров и каждый раз взвесив остаток, можно рассчитать процентное соотношение частиц с различными скоростями витания и, следовательно, с разными условными диаметрами.
ПЫЛЕВОЙ ПОТОК НА ПРОСВЕТ
В июне 1984 г. над Токио появились НЛО (неопознанные летающие объекты). Ярко-зеленые светящиеся диски зависли над городом. Возникла паника. Люди ждали массового десанта инопланетян. Только под утро выяснилось, что это были блики от многократно отраженного луча лазера, которым доктор Сакурао определял уровень запыленности воздуха. Вопреки ожиданиям плотность инверсионного слоя оказалась настолько велика, что луч от него отразился, как от стенки. А сейчас немного истории.
В 1899 г. с помощью филигранной экспериментальной техники П. Н. Лебедеву удалось измерить световое давление. И теперь оно становится привычным инструментом для инженера. Практическое применение лазеров до недавнего времени в основном относилось либо к области чистой оптики, либо было связано с тепловыми воздействиями светового луча. Таковы лазерные микроскопы, лазерные резаки, прошивные и сварочные аппараты, которые сверлят алмазы, лечат сетчатку глаза, выжигают татуировку и раскраивают текстильные ткани.
Остроумные эксперименты, недавно проведенные в научных лабораториях, убедительно говорят о большом изобретательском потенциале этого физического феномена. Применяются лазеры и в цехах заводов.
В производственных условиях многих предприятий, особенно металлургических, необходимы автоматические приборы, надежно следящие за запыленностью помещений. Требуется также неослабный контроль за нарастающей концентрацией пыли силиката кальция и ферросилиция в закрытых трубопроводах и бункерах. Ведь при повышенной концентрации (30--40%) возможны самопроизвольные взрывы.
Поэтому большим достижением явилось создание в Ждановском металлургическом институте универсального пылемера, основанного на лазерном методе определения концентрации любой пыли в воздухе. Появляется возможность вести измерения непрерывно, не разрушая агрегаты частиц, что имеет место при пользовании другими способами.
При анализе загрязнений воздуха необходимо узнать и вес парящих в нем частиц на единицу объема. Иначе не определишь, не превышает ли его запыленность допустимые нормы. Свой способ, как взвесить пылинку, показала на выставке в Москве фирма "Сарториус" из ФРГ. Автоматический пылеуловитель, прокачав заданный объем воздуха (до 25 м3/ч), собирает взвешенные в нем пылинки механическими и электростатическими фильтрами. "Добыча" автоматически заворачивается в салфеточку из стеклоткани и помещается в кассету, точный вес которой известен. Собранные загрязнения взвешиваются затем на электронных весах, пружина или коромысло которых заменены электромагнитным полем. Вибрации и смена температур на точность весов не влияют, а сама точность в 10 раз выше, чем у весов механических. Все показатели обрабатываются встроенной в корпус весов мини-ЭВМ. Она ведет свою "бухгалтерию" пылинок: учитывает вес отдельного сбора или нескольких за определенный период, среднее значение всех взвешиваний, сравнение их между собой. Результат выдается за 2 с на табло.
Воздушная среда над городами и крупными промышленными центрами требует постоянного контроля. Незначительное изменение состава воздуха может повлечь за собой катастрофу.
По сведениям, распространенным "Юнайтед пресс Интернейшнл" 11 мая 1982 г., сотрудники Вашингтонского университета доктор Роберт Чарлсон и Нормал Алквист получили патент на прибор, предназначенный для определения содержания вредных примесей в атмосфере. Принцип действия нового прибора, названного интегральным нефелометром, основан на явлении рассеяния света мельчайшими твердыми частицами, содержащимися в воздухе. Аналогичный принцип, кстати, использовался раньше в приборах для определения видимости на аэродромах.
Воздух в приборе засасывается в трубообразное устройство, в котором проба облучается светом лампы-вспышки, и количественное содержание твердых частиц определяется по яркости рассеиваемого света.
В настоящее время интегральный нефелометр используется в обсерватории на одном из Гавайских островов, где проводится серия экспериментов по определению оптических свойств чистого воздуха и разработке методов оценки загрязнения атмосферы твердыми частицами в глобальном масштабе.
Все эти приемы относятся к взятию проб пыли, которую уже не поймаешь. Так сказать, картина запыленности воздуха есть, а точно узнать, откуда какая пылинка взялась, крайне трудно.
Гораздо чаще нужно брать пробы газов прямо на месте, непосредственно у пылящего и дымящего, оборудования, в воздуховодах, дымовых трубах, открытых проемах световых фонарей. Делается все это по определенным методикам. Запыленность газа выражают в граммах или миллиграммах на 1 м3 газа при нормальных условиях. Для ее определения применяют прямой и косвенные методы. Чаще используют прямой метод. Он состоит из отбора из запыленного газового потока части газа, в котором концентрация и дисперсный состав пыли не отличаются от этих показателей в основном потоке. Место отбора газа должно быть на прямом и ровном участке газопровода, чтобы газовый поток находился в установившемся состоянии и пыль в нем была равномерно распределена по сечению газопровода. Для получения правильных значений запыленности газопровод разбивают на равные по площади участки. Распределение пыли по сечению газопровода называют полем запыленности. По полученным результатам находят средневзвешенную величину запыленности газа по сечению газопровода. При прямом методе определения запыленности газа применяют внешнюю и внутреннюю фильтрации.
При внешней фильтрации газ отбирают заборными трубками. Их вводят внутрь газопровода, а фильтр для осаждения пыли из пробы газа располагают вне газохода. При внутренней фильтрации устройство для улавливания пыли помещают прямо в газоход. Этот метод применяют, когда в газах содержатся смолы, липкая пыль или другие компоненты, которые могут засорить заборную трубку и привести к неправильным результатам при определении запыленности газа.
Для измерения объема отобранной пробы газа и приведения его к нормальным условиям чаще всего применяют ротаметры.
Есть и косвенные методы установления величины запыленности газа. Густоту окраски газа, выходящего из дымовой трубы, сравнивают со специальной шкалой; с помощью оптических приборов судят о величине поглощения пылью световых или тепловых лучей и т. д. Но это не дает точных результатов.
Скорость газа в газоходе замеряют пневмометрической трубкой, соединенной с микроманометром, температуру и разрежение газа -- термометром и микроманометром, влажность газа -- психрометром.
Определение запыленности газа внешней или внутренней фильтрацией -сложная и трудоемкая операция. Поэтому в производственных условиях часто применяют упрощенные ловушки, которые вводят на определенное время в газоход, и по разности массы фильтра ловушки до и после запыления судят о запыленности газа.
Применяют их иногда и для контроля золоуловителей. Одну такую ловушку мне пришлось сделать для быстрого определения качества помола угля в шахтной мельнице. Чтобы избежать подключения к ловушке вакуум-насоса, в качестве источника разрежения решено было использовать эжектор, действующий непосредственно от проходящего через него пылевоздушного потока. Ловушку прикрепляли к стальному прутку и помещали в исследуемом потоке -- за 5--6 мин она наполнялась пылью. Оставалось только просеять навеску пыли через набор сит различной плотности, и картина работы мельницы становилась ясна. Если пыль задерживалась только самым плотным ситом, значит, все оставалось в порядке, а если частицы оседали и на ситах с большими отверстиями, пора было мельницу ремонтировать, так как молотки, которыми она измельчает уголь, износились. И все-таки процесс отбора пробы был не совсем удобен. Устанавливать ловушку в характерных точках шахты, перемещать ее в поперечном сечении, следя за тем, чтобы она всегда была направлена носиком навстречу потоку,-- дело не из легких.
К счастью, упростить эту операцию помог случай.
ЛАБОРАНТ БЫЛ С ЛЕНЦОЙ
Нужно ли доказывать, что скрупулезность -- залог успеха научного эксперимента? Хотя бывают и исключения... Во время проведения опытов по снятию скоростных полей запыленного потока я пользовался прозрачными участками воздуховодов, в которых были просверлены отверстия для измерительных трубок. Согласно инструкции после извлечения трубки из отверстия его необходимо закрыть резиновой пробочкой. Таких, в общем-то правильных, требований в методиках немало, да вот только следуют им далеко не всегда.
Посмотрите на вентиляционные воздуховоды, проложенные в производственных помещениях. Что ни ответвление, то отверстие с двухкопеечную монету. Провели наладчики испытания, а загерметизировать дырочки забыли, а может, пробочек под рукой не оказалось.
Однажды после очередного опыта, осматривая прозрачные воздуховоды установки, я вдруг заметил напротив отверстия для трубки маленькое белое пятнышко. Проанализировав ситуацию, я понял, что пылевой нарост появился из-за попадания в пылевой поток чистого воздуха, струя которого пронизывает поток под углом в 90° и выносит из него пылевые частицы. Спасибо лаборанту, который поленился поправить наладчиков...
Возникла мысль, а что если использовать этот эффект для отбора представительной пробы пыли, идущей на технологические нужды. Тонина помола в целом ряде случаев играет решающую роль в самых разных процессах. Машинисту парового котла нужно знать дисперсный состав угольной пыли, вдуваемой в топку, машинисту мельницы и технологу цементного завода -- то же. Вместо пылезаборных трубок, фильтров и ротаметров можно сделать простейший пробоотборник, вся суть которого сводится к тому, что на противоположных стенках пылепровода просверливается по отверстию. В одно поступает воздух, а из другого вылетает проба. Если пылепровод под разрежением, не нужно никакого добавочного источника давления, а если под напором, достаточно от линии сжатого воздуха отвести 4-миллиметровую трубочку. Острая, как игла, воздушная струя пронижет запыленный поток и моментально выхватит из него встретившиеся на пути пылевые частицы.
На следующий день я и мои товарищи наладчики подготовили новый опыт. Для наглядности цементную сырьевую муку подкрасили тонкой цветной пылью, отверстие снабдили небольшим соплом для направления поперечной струи и включили установку. Через час напротив сопла образовался нарост из пыли, в которой были заметны и частицы красителя. Остальное, как говорится, было делом техники. На месте, где образовывался нарост, прорезали отверстие и установили ловушку с лючком для выпуска пробы. "Струйная ловушка" нашла свое применение всюду, где необходимо но условиям технологии вести постоянный отбор проб пыли. Простота и надежность этого устройства (авторское свидетельство No 270341) позволяют использовать его и для технологических нужд.
Задачу, как проще отбирать пробы из воздуховодов и пылепроводов, таким образом решили, но оставалась еще одна длительная и трудоемкая операция -рассевка отобранной пробы. Она нужна для того, чтобы узнать фракционный состав пыли. Обычно пробу просеивают через набор сит разной проходимости.
Современные виброгрохоты и полигональные сита копируют движения бабушкиного решета. На заводах промышленности строительных материалов, на химических предприятиях и горнообогатительных фабриках техника просеивания дальше этого не шагнула. В конце концов с этим можно было бы мириться, если бы не ущербность самого принципа просеивания. Горка сыпучего материала контактирует с ситом только своим основанием. На остающиеся в сите частицы нижнего слоя давит еще не рассеянный материал и вдавливает их в ячейки. Чтобы очистить сито, его трясут с еще большими частотой и амплитудой, постукивают по обечайке, но все равно раньше чем через 15--20 мин даже 100-граммовую навеску не просеять. Еще неудобство: после каждой рассевки устройство останавливается -- нужно удалять крупные частицы, оставшиеся на сите.
В аппарате, разработанном в отделе сепарационных устройств ВНИИцеммаша О. К. Чекаловцом (авторское свидетельство No 187677), рассевка происходит мгновенно, крупные фракции ни секунды не задерживаются на сите. Добиться такого эффекта он сумел просто: сито расположил вертикально, а чтобы прогнать через него порошок, применил электрическое поле. Небольшой аппарат ничем не напоминает своих шумных и пылящих прототипов. В небольшом корпусе расположены плоский электрод, выполненный в виде проволочной решетки, а параллельно с ним -- металлическая разделительная сетка, являющаяся осадительным электродом. Поворот выключателя -- и легкое потрескивание извещает о том, что в аппарате создалось мощное электрическое поле. Питатель плоской струей направляет цемент в зазор между электродами. И тут частицы материала вместо того, чтобы упасть на дно аппарата, вдруг делают поворот на 90° и устремляются к сетке. "Приземляются" они, лишь пройдя разделительные ячейки. Крупные же частицы, коснувшись сетки, съезжают по ней вниз в приемный лоток.
Все делает электрический "ветер". Он возникает между коронирующим и осадительным электродами и несет рассеиваемый материал к сетке. Электрический "ветер" может моментально разделить сыпучий продукт на несколько различных фракций, заменив длительную вибрацию, необходимую для ситового анализа. Может из низкосортного цемента выделить, самые тонкие фракции, и при минимальных затратах электроэнергии прямо на строительной площадке вы получите цемент марки "600", которого так часто недостает для изготовления особо ответственных деталей. Электрический "ветер" в сотни раз сокращает время рассева сыпучего материала, поэтому новый сепаратор можно включить в любую непрерывно действующую линию производства, будь то завод порошковой металлургии или фабрика, выпускающая дамскую пудру. Прибор испытан на гипсе, цементе, меле, песке и других материалах. Эффективность классификации материалов достигает 95%. Износ сетки-электрода совершенно незначителен, поскольку с материалом она контактирует минимально.
Но не только производством строительных материалов ограничивается область применения сепаратора О. К. Чекаловца. Его уменьшенная модель может уже сейчас без особых переделок просеивать зубной порошок, различные абразивы, применяемые при изготовлении точильных и шлифовальных камней, производить точнейший анализ атмосферной пыли, помола пылевидного топлива, муки и различных химических веществ.
СМОГ: ТРЕВОГА НОМЕР ОДИН
Корреспондент ТАСС Ю. Устименко писал с Олимпийских игр 1984 г. в Лос-Анджелесе: "Верхних этажей небоскребов не видно за густыми клубами дыма -ядовитой смеси выбросов заводских труб и выхлопных газов сотен тысяч автомобилей, которые в часы пик запруживают десятки километров дорог.
Световые табло на дорогах советуют водителям держать окна закрытыми. Да и без этого предупреждения вряд ли кто решится высунуть нос на улицу. Отравленный воздух саднит легкие, вызывает сухой кашель. По радио объявлена тревога номер один..."
Конечно, при добром согласии владельцев машин и промышленных объектов можно было бы прекратить пользование автомобилями без острой необходимости и приостановить процессы, сопровождающиеся пылевыделением. Смог --бедствие социальное. "Мы предупреждали, что будет именно так, но нас никто не слушал! -- говорил член муниципального совета Лос-Анджелеса К. Хэн.-- В таких условиях газеты мира будут писать не о спортивных рекордах, а о смоге, да и можно ли вообще говорить о спортивных достижениях?"
Олимпия, где проводились первые игры, была прекрасным городом с очень здоровым климатом. Думается, что пришло время подумать о том, чтобы будущие Олимпийские игры организовывались только в городах с чистым воздухом. Слова "смог" и "спорт" соседствовать не должны.
Непрерывно растущее промышленное производство влечет за собой использование различного сырья и топлива. В свою очередь, это увеличивает выброс газов и пыли в атмосферу.
Одной из самых насущных и трудных проблем сегодняшнего дня является борьба за чистоту атмосферы вообще. Не только в одном регионе, а над всей планетой. Ученые-исследователи находят частицы пыли и газов в воздухе самых отдаленных от цивилизованного мира местах, вплоть до Антарктиды.
Воздействие культурной деятельности человека на природу началось еще сотни лет назад, но основные сложности возникли, когда развилось массовое кузнечное производство.
...Множество небольших горнов, принадлежавших ремесленникам, дымило в графстве Додлей. Сын графа и простой женщины, Дод Додлей уже в юные годы в совершенстве овладел кузнечным мастерством, мог сложить из камня горн, выплавить отличный металл. Умения этого, кстати, в, Англии не гнушались многие представители аристократических фамилий. За столами владетельных особ кузнецы сиживали рядом с капелланами. Ведь один заботился о спасении души хозяина, а другой -- тела... И сейчас изображения щипцов и наковальни встречаются на гербах старого английского дворянства.
Плавильные горны, как правило, располагались далеко от мест добычи руды. Их нужно было строить поближе к лесным массивам, так как без древесного угля железо выплавлять не умели, а нужно его было во много раз больше, чем руды.
Кроме кузнечного дела Дод горячо любил природу и с тоской наблюдал, как под топором углежогов вековые леса превращались в дым.
До этого многие пробовали заменить каменным углем древесный, но все, как один, терпели неудачи. Вредные примеси, содержавшиеся в угле, делали железо непрочным. Молодой Додлей решил, прежде чем пускать уголь в плавку, извлекать из него серу. А однажды он попробовал получить железо не на свежем, а уже побывавшем в топке полусгоревшем угле, сера из которого уже улетучилась. Сейчас это называется коксом.
В 1620 г. король Англии выдал Додлею патент на новый способ выплавки железа.
Одним из великих благ для человечества стало бы уже тогда открытие Додлея, но... Оно задевало интересы многих мелких предпринимателей, занимавшихся по соседству кузнечным делом. Они разрушили горн Додлея, порезали на куски мехи, втоптали в грязь запасы кокса, растащили инструмент. Додлей был разорен, а его прекрасный способ выплавки железа не прижился. Воспользовались им только более 100 лет спустя, когда вокруг железоделательных заводов лесов уже не осталось, а металла требовалось все больше и больше. Появилось новое направление в металлургии -- чугунолитейное дело. Горны для выплавки чугуна, теперь называемые домнами, становились все выше и выше. Непрерывно, а не периодически, как при получении кричного железа, подавали теперь в домну кокс и руду.
Но возникла необходимость решать десятки новых проблем. В частности, как избавиться от дымовых и пыльных туч над промышленными центрами.
В прошлом веке началось применение жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания. Появилась масса автомобилей. Заработали тепловые электростанции.
Деятельность человека стала серьезно влиять на загрязнение атмосферы, и особенно на ее озонный слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, идущие из космоса. Не будь его, все живое неизбежно вымерло бы. Оксиды азота, содержащиеся в автомобильных выбросах, неумеренное и небрежное использование пестицидов и, казалось бы, такая мелочь, как наполнитель аэрозольных упаковок фреон,-- все это отрицательно влияет на озон. Порождаемое цивилизацией загрязнение окружающей среды грозит уничтожить все столь многообещающие достижения технического прогресса на нашей планете.
За последнее столетие в результате деятельности человека в атмосферу поступило около 360 млрд. т углекислого газа, а его содержание в атмосфере увеличилось на 13%. Никто пока точно не может определить последствия накапливания углекислого газа, однако если гипотезы ученых оправдаются, то температура на Земле повысится. Так как все большее количество углекислого газа будет растворяться в океане, то это повлияет и на океанические процессы.
В настоящее время атмосфера содержит 320 частей углекислого газа на 1 млн. частей воздуха, а ведь еще в 1860 г. их было всего 290. По ориентировочным оценкам, к 2000 г. количество углекислого газа составит 380 частей на 1 млн. Задача науки -- определить изменения климата, которые уже произошли в результате возросшего содержания углекислого газа в атмосфере, и оценить возможность его воздействия на климат в будущем.
Диаметр частицы можно определить по скорости ее витания, или падения, в спокойном воздухе. Ну, а как же узнать, что собой представляет та или иная уловленная пыль? Прежде всего ее нужно суметь поймать. Чем тоньше пыль, тем сложней и дороже приборы, предназначенные для ее улавливания. На большинстве московских заводов созданы службы, следящие за работой пылеулавливающих установок. Чаще всего для взятия проб пыли они используют воздуходувку с присоединенными к ней ротаметрами -- стеклянными трубками, внутри которых находятся легкие алюминиевые колпачки. Резиновые шланги соединяют ротаметры с пылезаборными трубками, к ним же подсоединены расширители с предварительно взвешенными тончайшими фильтрами, сделанными из синтетических волокон.
Заметив время, лаборант устанавливает пылезаборные трубки в помещении, где необходимо отобрать пробу воздуха, и включает прибор. Воздуходувка начинает всасывать воздух по резиновым шлангам через ротаметры и фильтры. Проходя через стеклянные трубочки ротаметров, потоки отсасываемого воздуха поднимают алюминиевые колпачки. Чем больше объем отсасываемого воздуха, тем выше поднимаются колпачки. Лаборант следит, чтобы они находились на заданном уровне, соответствующем определенному расходу воздуха. По истечении заданного времени отсос воздуха прекращают и фильтры взвешивают. Узнав, насколько они потяжелели, лаборант делит полученную величину на количество пропущенного через фильтр воздуха. Например: привес фильтра 2 г, а пропущено через него 10 м3 воздуха. Выходит, запыленность в помещении катастрофически велика -- 200 мг/м3! Данные испытания передается вентбюро с предписанием срочно принять меры по обеспыливанию данного участка.
Несколько сложней отобрать пробу воздуха из газохода, по которому пыль летит с большой скоростью. Главное условие правильности отбора -- это создание в устье пылезаборной трубки, введенной в газоход, точно такой же скорости, как и в сечении газохода. Дело в том, что при более быстром заборе частиц мы будем брать не только те частицы, которые оказываются перед устьем, но и подсосем соседние. В результате количество попавших в фильтр частиц будет больше, чем фактически их было в газоходе. И наоборот, при низкой скорости отбора пробы пыли в устье трубки возникает воздушная пробка, мешающая попасть в фильтр всем частицам, которые оказались перед устьем трубки в момент отбора пробы. В результате проба окажется заниженной по сравнению с фактической запыленностью, которая в данное время была в газоходе.
Сложность, которую приходится преодолевать лаборантам при отборе проб,-выпадение росы в пылезаборной трубке. Конденсат попадает на фильтр и затрудняет просасывание воздуха. Нередко фильтр разрывается, и тогда опыты повторяют. Чтобы избежать этого, иногда приходится делать электроподогреватели для пылезаборных трубок или ставить специальные емкости для выделения конденсата из отсасываемой пробы воздуха.
Еще большие сложности лаборанты испытывают, когда требуется определить размеры пылинок в отобранной пробе. Возьмите ватный шарик и бросьте его с определенной высоты. Сколько времени потребовалось ему, чтобы достичь пола? Секунда? Меньше? Но то же количество ваты, если ее распушить на волокна, проделает этот путь не за одну, а за несколько секунд. Причина этого несовпадения -- сопротивление воздуха. Высота, с которой сбросили частицы, поделенная на время падения, называется скоростью витания. Чем она выше, тем легче поймать пылинки с соответствующим размером в поперечнике.
Но как измерить его? Что считать поперечником пылинки, если сами эти пылевые частицы имеют, как правило, самую разнообразную форму: это и спиральки, и пластиночки, и стержни. Для простоты расчетов ученые условились все пылинки считать шариками, а диаметры их определять в соответствии со скоростью витания. Чем она больше, тем, стало быть, больше диаметр пылинок. Условно пылинка с низкой скоростью витания -- это шарик диаметром 5 мкм, а фактически это может быть чешуйка с поперечником 50 мкм. Только падает она очень медленно из-за того, что парашютирует в воздухе. На практике почти нет монофракционных пылей -- с одинаковыми размерами всех частиц. Инженерам приходится иметь дело с полифракционными пылями, и скорости витания их отдельных частиц разнятся в десятки раз. Особенно заметно это во время "залповых" пылевых выбросов, связанных с падением больших масс земли, когда крупные песчинки сразу падают на землю, а мелкие фракции глины еще долго парят над карьером. На основе сравнения скорости витания пылинок с их диаметрами разработан и метод исследования -- воздушная сепарация в вертикальных цилиндрах. Принцип ее действия заключается в том, что исследуемую пыль вводят в воздушный поток, имеющий постоянную скорость. При этом мелкие частицы выносятся из цилиндра, а остальные падают вниз. Оставшуюся, пыль пропускают через другой цилиндр с более высокой скоростью, и вновь в нем оседает только часть пробы. Пропустив навеску пыли через несколько цилиндров и каждый раз взвесив остаток, можно рассчитать процентное соотношение частиц с различными скоростями витания и, следовательно, с разными условными диаметрами.
ПЫЛЕВОЙ ПОТОК НА ПРОСВЕТ
В июне 1984 г. над Токио появились НЛО (неопознанные летающие объекты). Ярко-зеленые светящиеся диски зависли над городом. Возникла паника. Люди ждали массового десанта инопланетян. Только под утро выяснилось, что это были блики от многократно отраженного луча лазера, которым доктор Сакурао определял уровень запыленности воздуха. Вопреки ожиданиям плотность инверсионного слоя оказалась настолько велика, что луч от него отразился, как от стенки. А сейчас немного истории.
В 1899 г. с помощью филигранной экспериментальной техники П. Н. Лебедеву удалось измерить световое давление. И теперь оно становится привычным инструментом для инженера. Практическое применение лазеров до недавнего времени в основном относилось либо к области чистой оптики, либо было связано с тепловыми воздействиями светового луча. Таковы лазерные микроскопы, лазерные резаки, прошивные и сварочные аппараты, которые сверлят алмазы, лечат сетчатку глаза, выжигают татуировку и раскраивают текстильные ткани.
Остроумные эксперименты, недавно проведенные в научных лабораториях, убедительно говорят о большом изобретательском потенциале этого физического феномена. Применяются лазеры и в цехах заводов.
В производственных условиях многих предприятий, особенно металлургических, необходимы автоматические приборы, надежно следящие за запыленностью помещений. Требуется также неослабный контроль за нарастающей концентрацией пыли силиката кальция и ферросилиция в закрытых трубопроводах и бункерах. Ведь при повышенной концентрации (30--40%) возможны самопроизвольные взрывы.
Поэтому большим достижением явилось создание в Ждановском металлургическом институте универсального пылемера, основанного на лазерном методе определения концентрации любой пыли в воздухе. Появляется возможность вести измерения непрерывно, не разрушая агрегаты частиц, что имеет место при пользовании другими способами.
При анализе загрязнений воздуха необходимо узнать и вес парящих в нем частиц на единицу объема. Иначе не определишь, не превышает ли его запыленность допустимые нормы. Свой способ, как взвесить пылинку, показала на выставке в Москве фирма "Сарториус" из ФРГ. Автоматический пылеуловитель, прокачав заданный объем воздуха (до 25 м3/ч), собирает взвешенные в нем пылинки механическими и электростатическими фильтрами. "Добыча" автоматически заворачивается в салфеточку из стеклоткани и помещается в кассету, точный вес которой известен. Собранные загрязнения взвешиваются затем на электронных весах, пружина или коромысло которых заменены электромагнитным полем. Вибрации и смена температур на точность весов не влияют, а сама точность в 10 раз выше, чем у весов механических. Все показатели обрабатываются встроенной в корпус весов мини-ЭВМ. Она ведет свою "бухгалтерию" пылинок: учитывает вес отдельного сбора или нескольких за определенный период, среднее значение всех взвешиваний, сравнение их между собой. Результат выдается за 2 с на табло.
Воздушная среда над городами и крупными промышленными центрами требует постоянного контроля. Незначительное изменение состава воздуха может повлечь за собой катастрофу.
По сведениям, распространенным "Юнайтед пресс Интернейшнл" 11 мая 1982 г., сотрудники Вашингтонского университета доктор Роберт Чарлсон и Нормал Алквист получили патент на прибор, предназначенный для определения содержания вредных примесей в атмосфере. Принцип действия нового прибора, названного интегральным нефелометром, основан на явлении рассеяния света мельчайшими твердыми частицами, содержащимися в воздухе. Аналогичный принцип, кстати, использовался раньше в приборах для определения видимости на аэродромах.
Воздух в приборе засасывается в трубообразное устройство, в котором проба облучается светом лампы-вспышки, и количественное содержание твердых частиц определяется по яркости рассеиваемого света.
В настоящее время интегральный нефелометр используется в обсерватории на одном из Гавайских островов, где проводится серия экспериментов по определению оптических свойств чистого воздуха и разработке методов оценки загрязнения атмосферы твердыми частицами в глобальном масштабе.
Все эти приемы относятся к взятию проб пыли, которую уже не поймаешь. Так сказать, картина запыленности воздуха есть, а точно узнать, откуда какая пылинка взялась, крайне трудно.
Гораздо чаще нужно брать пробы газов прямо на месте, непосредственно у пылящего и дымящего, оборудования, в воздуховодах, дымовых трубах, открытых проемах световых фонарей. Делается все это по определенным методикам. Запыленность газа выражают в граммах или миллиграммах на 1 м3 газа при нормальных условиях. Для ее определения применяют прямой и косвенные методы. Чаще используют прямой метод. Он состоит из отбора из запыленного газового потока части газа, в котором концентрация и дисперсный состав пыли не отличаются от этих показателей в основном потоке. Место отбора газа должно быть на прямом и ровном участке газопровода, чтобы газовый поток находился в установившемся состоянии и пыль в нем была равномерно распределена по сечению газопровода. Для получения правильных значений запыленности газопровод разбивают на равные по площади участки. Распределение пыли по сечению газопровода называют полем запыленности. По полученным результатам находят средневзвешенную величину запыленности газа по сечению газопровода. При прямом методе определения запыленности газа применяют внешнюю и внутреннюю фильтрации.
При внешней фильтрации газ отбирают заборными трубками. Их вводят внутрь газопровода, а фильтр для осаждения пыли из пробы газа располагают вне газохода. При внутренней фильтрации устройство для улавливания пыли помещают прямо в газоход. Этот метод применяют, когда в газах содержатся смолы, липкая пыль или другие компоненты, которые могут засорить заборную трубку и привести к неправильным результатам при определении запыленности газа.
Для измерения объема отобранной пробы газа и приведения его к нормальным условиям чаще всего применяют ротаметры.
Есть и косвенные методы установления величины запыленности газа. Густоту окраски газа, выходящего из дымовой трубы, сравнивают со специальной шкалой; с помощью оптических приборов судят о величине поглощения пылью световых или тепловых лучей и т. д. Но это не дает точных результатов.
Скорость газа в газоходе замеряют пневмометрической трубкой, соединенной с микроманометром, температуру и разрежение газа -- термометром и микроманометром, влажность газа -- психрометром.
Определение запыленности газа внешней или внутренней фильтрацией -сложная и трудоемкая операция. Поэтому в производственных условиях часто применяют упрощенные ловушки, которые вводят на определенное время в газоход, и по разности массы фильтра ловушки до и после запыления судят о запыленности газа.
Применяют их иногда и для контроля золоуловителей. Одну такую ловушку мне пришлось сделать для быстрого определения качества помола угля в шахтной мельнице. Чтобы избежать подключения к ловушке вакуум-насоса, в качестве источника разрежения решено было использовать эжектор, действующий непосредственно от проходящего через него пылевоздушного потока. Ловушку прикрепляли к стальному прутку и помещали в исследуемом потоке -- за 5--6 мин она наполнялась пылью. Оставалось только просеять навеску пыли через набор сит различной плотности, и картина работы мельницы становилась ясна. Если пыль задерживалась только самым плотным ситом, значит, все оставалось в порядке, а если частицы оседали и на ситах с большими отверстиями, пора было мельницу ремонтировать, так как молотки, которыми она измельчает уголь, износились. И все-таки процесс отбора пробы был не совсем удобен. Устанавливать ловушку в характерных точках шахты, перемещать ее в поперечном сечении, следя за тем, чтобы она всегда была направлена носиком навстречу потоку,-- дело не из легких.
К счастью, упростить эту операцию помог случай.
ЛАБОРАНТ БЫЛ С ЛЕНЦОЙ
Нужно ли доказывать, что скрупулезность -- залог успеха научного эксперимента? Хотя бывают и исключения... Во время проведения опытов по снятию скоростных полей запыленного потока я пользовался прозрачными участками воздуховодов, в которых были просверлены отверстия для измерительных трубок. Согласно инструкции после извлечения трубки из отверстия его необходимо закрыть резиновой пробочкой. Таких, в общем-то правильных, требований в методиках немало, да вот только следуют им далеко не всегда.
Посмотрите на вентиляционные воздуховоды, проложенные в производственных помещениях. Что ни ответвление, то отверстие с двухкопеечную монету. Провели наладчики испытания, а загерметизировать дырочки забыли, а может, пробочек под рукой не оказалось.
Однажды после очередного опыта, осматривая прозрачные воздуховоды установки, я вдруг заметил напротив отверстия для трубки маленькое белое пятнышко. Проанализировав ситуацию, я понял, что пылевой нарост появился из-за попадания в пылевой поток чистого воздуха, струя которого пронизывает поток под углом в 90° и выносит из него пылевые частицы. Спасибо лаборанту, который поленился поправить наладчиков...
Возникла мысль, а что если использовать этот эффект для отбора представительной пробы пыли, идущей на технологические нужды. Тонина помола в целом ряде случаев играет решающую роль в самых разных процессах. Машинисту парового котла нужно знать дисперсный состав угольной пыли, вдуваемой в топку, машинисту мельницы и технологу цементного завода -- то же. Вместо пылезаборных трубок, фильтров и ротаметров можно сделать простейший пробоотборник, вся суть которого сводится к тому, что на противоположных стенках пылепровода просверливается по отверстию. В одно поступает воздух, а из другого вылетает проба. Если пылепровод под разрежением, не нужно никакого добавочного источника давления, а если под напором, достаточно от линии сжатого воздуха отвести 4-миллиметровую трубочку. Острая, как игла, воздушная струя пронижет запыленный поток и моментально выхватит из него встретившиеся на пути пылевые частицы.
На следующий день я и мои товарищи наладчики подготовили новый опыт. Для наглядности цементную сырьевую муку подкрасили тонкой цветной пылью, отверстие снабдили небольшим соплом для направления поперечной струи и включили установку. Через час напротив сопла образовался нарост из пыли, в которой были заметны и частицы красителя. Остальное, как говорится, было делом техники. На месте, где образовывался нарост, прорезали отверстие и установили ловушку с лючком для выпуска пробы. "Струйная ловушка" нашла свое применение всюду, где необходимо но условиям технологии вести постоянный отбор проб пыли. Простота и надежность этого устройства (авторское свидетельство No 270341) позволяют использовать его и для технологических нужд.
Задачу, как проще отбирать пробы из воздуховодов и пылепроводов, таким образом решили, но оставалась еще одна длительная и трудоемкая операция -рассевка отобранной пробы. Она нужна для того, чтобы узнать фракционный состав пыли. Обычно пробу просеивают через набор сит разной проходимости.
Современные виброгрохоты и полигональные сита копируют движения бабушкиного решета. На заводах промышленности строительных материалов, на химических предприятиях и горнообогатительных фабриках техника просеивания дальше этого не шагнула. В конце концов с этим можно было бы мириться, если бы не ущербность самого принципа просеивания. Горка сыпучего материала контактирует с ситом только своим основанием. На остающиеся в сите частицы нижнего слоя давит еще не рассеянный материал и вдавливает их в ячейки. Чтобы очистить сито, его трясут с еще большими частотой и амплитудой, постукивают по обечайке, но все равно раньше чем через 15--20 мин даже 100-граммовую навеску не просеять. Еще неудобство: после каждой рассевки устройство останавливается -- нужно удалять крупные частицы, оставшиеся на сите.
В аппарате, разработанном в отделе сепарационных устройств ВНИИцеммаша О. К. Чекаловцом (авторское свидетельство No 187677), рассевка происходит мгновенно, крупные фракции ни секунды не задерживаются на сите. Добиться такого эффекта он сумел просто: сито расположил вертикально, а чтобы прогнать через него порошок, применил электрическое поле. Небольшой аппарат ничем не напоминает своих шумных и пылящих прототипов. В небольшом корпусе расположены плоский электрод, выполненный в виде проволочной решетки, а параллельно с ним -- металлическая разделительная сетка, являющаяся осадительным электродом. Поворот выключателя -- и легкое потрескивание извещает о том, что в аппарате создалось мощное электрическое поле. Питатель плоской струей направляет цемент в зазор между электродами. И тут частицы материала вместо того, чтобы упасть на дно аппарата, вдруг делают поворот на 90° и устремляются к сетке. "Приземляются" они, лишь пройдя разделительные ячейки. Крупные же частицы, коснувшись сетки, съезжают по ней вниз в приемный лоток.
Все делает электрический "ветер". Он возникает между коронирующим и осадительным электродами и несет рассеиваемый материал к сетке. Электрический "ветер" может моментально разделить сыпучий продукт на несколько различных фракций, заменив длительную вибрацию, необходимую для ситового анализа. Может из низкосортного цемента выделить, самые тонкие фракции, и при минимальных затратах электроэнергии прямо на строительной площадке вы получите цемент марки "600", которого так часто недостает для изготовления особо ответственных деталей. Электрический "ветер" в сотни раз сокращает время рассева сыпучего материала, поэтому новый сепаратор можно включить в любую непрерывно действующую линию производства, будь то завод порошковой металлургии или фабрика, выпускающая дамскую пудру. Прибор испытан на гипсе, цементе, меле, песке и других материалах. Эффективность классификации материалов достигает 95%. Износ сетки-электрода совершенно незначителен, поскольку с материалом она контактирует минимально.
Но не только производством строительных материалов ограничивается область применения сепаратора О. К. Чекаловца. Его уменьшенная модель может уже сейчас без особых переделок просеивать зубной порошок, различные абразивы, применяемые при изготовлении точильных и шлифовальных камней, производить точнейший анализ атмосферной пыли, помола пылевидного топлива, муки и различных химических веществ.
СМОГ: ТРЕВОГА НОМЕР ОДИН
Корреспондент ТАСС Ю. Устименко писал с Олимпийских игр 1984 г. в Лос-Анджелесе: "Верхних этажей небоскребов не видно за густыми клубами дыма -ядовитой смеси выбросов заводских труб и выхлопных газов сотен тысяч автомобилей, которые в часы пик запруживают десятки километров дорог.
Световые табло на дорогах советуют водителям держать окна закрытыми. Да и без этого предупреждения вряд ли кто решится высунуть нос на улицу. Отравленный воздух саднит легкие, вызывает сухой кашель. По радио объявлена тревога номер один..."
Конечно, при добром согласии владельцев машин и промышленных объектов можно было бы прекратить пользование автомобилями без острой необходимости и приостановить процессы, сопровождающиеся пылевыделением. Смог --бедствие социальное. "Мы предупреждали, что будет именно так, но нас никто не слушал! -- говорил член муниципального совета Лос-Анджелеса К. Хэн.-- В таких условиях газеты мира будут писать не о спортивных рекордах, а о смоге, да и можно ли вообще говорить о спортивных достижениях?"
Олимпия, где проводились первые игры, была прекрасным городом с очень здоровым климатом. Думается, что пришло время подумать о том, чтобы будущие Олимпийские игры организовывались только в городах с чистым воздухом. Слова "смог" и "спорт" соседствовать не должны.
Непрерывно растущее промышленное производство влечет за собой использование различного сырья и топлива. В свою очередь, это увеличивает выброс газов и пыли в атмосферу.
Одной из самых насущных и трудных проблем сегодняшнего дня является борьба за чистоту атмосферы вообще. Не только в одном регионе, а над всей планетой. Ученые-исследователи находят частицы пыли и газов в воздухе самых отдаленных от цивилизованного мира местах, вплоть до Антарктиды.
Воздействие культурной деятельности человека на природу началось еще сотни лет назад, но основные сложности возникли, когда развилось массовое кузнечное производство.
...Множество небольших горнов, принадлежавших ремесленникам, дымило в графстве Додлей. Сын графа и простой женщины, Дод Додлей уже в юные годы в совершенстве овладел кузнечным мастерством, мог сложить из камня горн, выплавить отличный металл. Умения этого, кстати, в, Англии не гнушались многие представители аристократических фамилий. За столами владетельных особ кузнецы сиживали рядом с капелланами. Ведь один заботился о спасении души хозяина, а другой -- тела... И сейчас изображения щипцов и наковальни встречаются на гербах старого английского дворянства.
Плавильные горны, как правило, располагались далеко от мест добычи руды. Их нужно было строить поближе к лесным массивам, так как без древесного угля железо выплавлять не умели, а нужно его было во много раз больше, чем руды.
Кроме кузнечного дела Дод горячо любил природу и с тоской наблюдал, как под топором углежогов вековые леса превращались в дым.
До этого многие пробовали заменить каменным углем древесный, но все, как один, терпели неудачи. Вредные примеси, содержавшиеся в угле, делали железо непрочным. Молодой Додлей решил, прежде чем пускать уголь в плавку, извлекать из него серу. А однажды он попробовал получить железо не на свежем, а уже побывавшем в топке полусгоревшем угле, сера из которого уже улетучилась. Сейчас это называется коксом.
В 1620 г. король Англии выдал Додлею патент на новый способ выплавки железа.
Одним из великих благ для человечества стало бы уже тогда открытие Додлея, но... Оно задевало интересы многих мелких предпринимателей, занимавшихся по соседству кузнечным делом. Они разрушили горн Додлея, порезали на куски мехи, втоптали в грязь запасы кокса, растащили инструмент. Додлей был разорен, а его прекрасный способ выплавки железа не прижился. Воспользовались им только более 100 лет спустя, когда вокруг железоделательных заводов лесов уже не осталось, а металла требовалось все больше и больше. Появилось новое направление в металлургии -- чугунолитейное дело. Горны для выплавки чугуна, теперь называемые домнами, становились все выше и выше. Непрерывно, а не периодически, как при получении кричного железа, подавали теперь в домну кокс и руду.
Но возникла необходимость решать десятки новых проблем. В частности, как избавиться от дымовых и пыльных туч над промышленными центрами.
В прошлом веке началось применение жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания. Появилась масса автомобилей. Заработали тепловые электростанции.
Деятельность человека стала серьезно влиять на загрязнение атмосферы, и особенно на ее озонный слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, идущие из космоса. Не будь его, все живое неизбежно вымерло бы. Оксиды азота, содержащиеся в автомобильных выбросах, неумеренное и небрежное использование пестицидов и, казалось бы, такая мелочь, как наполнитель аэрозольных упаковок фреон,-- все это отрицательно влияет на озон. Порождаемое цивилизацией загрязнение окружающей среды грозит уничтожить все столь многообещающие достижения технического прогресса на нашей планете.
За последнее столетие в результате деятельности человека в атмосферу поступило около 360 млрд. т углекислого газа, а его содержание в атмосфере увеличилось на 13%. Никто пока точно не может определить последствия накапливания углекислого газа, однако если гипотезы ученых оправдаются, то температура на Земле повысится. Так как все большее количество углекислого газа будет растворяться в океане, то это повлияет и на океанические процессы.
В настоящее время атмосфера содержит 320 частей углекислого газа на 1 млн. частей воздуха, а ведь еще в 1860 г. их было всего 290. По ориентировочным оценкам, к 2000 г. количество углекислого газа составит 380 частей на 1 млн. Задача науки -- определить изменения климата, которые уже произошли в результате возросшего содержания углекислого газа в атмосфере, и оценить возможность его воздействия на климат в будущем.