Определение концентрации аэрозолей — обязательный элемент контроля воздуха рабочей зоны, чистых помещений и промышленных выбросов. Аэрозоль представляет собой дисперсную систему из твёрдых или жидких частиц, распределённых в газовой среде, а его концентрация выражается массовым либо счётным показателем. Методы определения концентрации аэрозолей включают гравиметрию, оптические и счётные способы измерения, каждый из которых имеет собственную область применения и требования к отбору проб. В статье последовательно рассмотрены единицы измерения, порядок отбора и подготовки проб, принципы основных методов, их метрологические характеристики, а также действующие стандарты ISO и критерии выбора прибора для конкретных измерительных задач.
Понятие
и единицы измерения концентрации аэрозолей
Концентрация аэрозоля характеризует количество дисперсной фазы в единице объёма воздуха. Различают два основных способа её выражения. Массовая концентрация определяется как масса частиц, содержащихся в единице объёма воздуха, и измеряется в миллиграммах на кубический метр (мг/м³). Этот показатель применяют при гигиенической оценке воздуха рабочей зоны и нормировании предельно допустимых концентраций пыли. Счётная концентрация отражает число частиц в единице объёма и выражается в частицах на кубический метр либо на кубический сантиметр (частиц/м³, частиц/см³); она нормируется при контроле чистых помещений. Дополнительно используют счётную концентрацию по фракциям — в заданных диапазонах размеров частиц, например 0,5 мкм и более. Выбор единицы измерения зависит от метода измерения: гравиметрия даёт массовый показатель, оптические и конденсационные счётчики — счётный.
Отбор проб аэрозолей и подготовка проб
Достоверность результата определяется качеством отбора пробы. Для гравиметрического анализа воздух аспирируют через предварительно кондиционированный и взвешенный аналитический фильтр, установленный в фильтродержатель; скорость и объём прокачиваемого воздуха задаются ротаметром или счётчиком газа. Скорость отбора подбирают так, чтобы частицы целевого размерного диапазона осаждались на фильтре, а не проскакивали сквозь него. Точки отбора располагают в зоне дыхания работника либо в характерных сечениях помещения или воздуховода; продолжительность отбора выбирают исходя из ожидаемой концентрации. После отбора фильтр транспортируют в закрытых кассетах, исключающих загрязнение и изменение влажности. Перед повторным взвешиванием фильтр кондиционируют в тех же условиях, что и до отбора, — это снижает погрешность, связанную с влагопоглощением. Для инструментальных методов применяют изокинетический отбор в воздуховодах и прямые измерения в точке контроля.
Гравиметрический
и оптический методы измерения
Гравиметрический метод основан на определении массы частиц, осаждённых на фильтре, по разности результатов взвешивания до и после отбора пробы. Делением приращения массы на объём отобранного воздуха получают массовую концентрацию. Взвешивание выполняют на аналитических весах высокой точности в кондиционируемом помещении; метод отличается простотой и независимостью от оптических свойств частиц, однако не даёт информации о размерном распределении и требует длительного отбора. Оптический метод, реализуемый фотометром аэрозольных частиц, основан на рассеянии света частицами: интенсивность рассеянного излучения преобразуется в сигнал, пропорциональный концентрации. Фотометры позволяют выполнять измерения в реальном времени, но их показания зависят от рефракционного индекса, формы и размера частиц, поэтому прибор калибруют по конкретному аэрозолю. Для оценки концентрации пыли применяют также персональные дозиметры, регистрирующие экспозицию работника в течение смены.
Счётный
метод и конденсационный счётчик частиц
Счётный метод предполагает поштучную регистрацию частиц в потоке воздуха. Наибольшее распространение получил счётчик частиц, работающий на принципе рассеяния света отдельной частицей в измерительной ячейке: при прохождении частицы через лазерный луч формируется импульс, амплитуда которого соответствует её размеру, а число импульсов — счётной концентрации. Нижний порог регистрации таких приборов обычно составляет около 0,3 мкм. Для ультрадисперсных аэрозолей применяют конденсационный счётчик частиц: в нём частицы предварительно выращиваются в пересыщенном паре рабочей жидкости, после чего становятся различимыми для оптической регистрации. Это позволяет считать частицы размером в десятки нанометров. Конденсационные счётчики используют при контроле чистых производственных и исследовательских помещений, а также при испытаниях фильтрующих материалов, где важна регистрация наиболее мелких частиц.
Метрологические
характеристики: чувствительность и повторяемость
При сопоставлении методов и приборов оценивают ряд метрологических характеристик. Чувствительность определяет минимальную регистрируемую концентрацию или размер частицы: для гравиметрии она задаётся точностью весов и массой холостого фильтра, для оптических счётчиков — порогом детектирования ячейки, для конденсационных — минимальным размером зародыша конденсации. Повторяемость характеризует разброс результатов при многократных измерениях одной и той же пробы; для счётных методов она зависит от стабильности расхода воздуха и статистики счёта: чем меньше частиц регистрируется, тем выше относительная погрешность. Погрешность измерения концентрации складывается из погрешностей отбора проб, калибровки и счёта. Практическое значение имеют также линейность диапазона, время отклика и устойчивость показаний к перегрузке концентрацией. Перед применением приборы калибруют, а расход воздуха через счётчики поверяют штатными средствами, входящими в комплект поставки.
Стандарты ISO и выбор прибора
Методическую основу измерений составляют стандарты серии ISO. Измерение концентрации частиц в чистых помещениях регламентирует ISO 14644, включающий требования к счётным методам и порядку определения классов чистоты. Общие требования к измерению характеристик взвешенных в воздухе частиц и к приборам для таких измерений устанавливает ISO 21501, в частности часть, касающаяся калибровки счётчиков частиц по рассеянию света. Отбор проб аэрозолей и определение массовой концентрации пыли на рабочих местах регламентируют национальные методики, гармонизированные с международной практикой. Выбор прибора определяется задачей: для гигиенического контроля воздух рабочей зоны обычно применяют гравиметрию с персональным пробоотборником, для чистых помещений — счётчики частиц с порогом регистрации, соответствующим контролируемому классу, для ультрадисперсных аэрозолей — конденсационные счётчики. Дополнительно учитывают диапазон концентраций, требуемую точность, условия эксплуатации и наличие действующей калибровки.
FAQ
Сколько
времени занимает определение концентрации аэрозолей и когда выдаётся протокол? Прямые измерения оптическими и конденсационными счётчиками выполняются за минуты, тогда как гравиметрический метод требует кондиционирования фильтров до и после отбора, взвешивания и расчёта, что увеличивает срок. Точные сроки устанавливает лаборатория исходя из применённого метода и числа проб.
требования
предъявляются к пробам аэрозолей для анализа? Для гравиметрии отбирают пробу на аналитический фильтр с фиксацией объёма прокачанного воздуха; фильтр транспортируют в закрытой кассете, исключающей загрязнение. Условия отбора — точка, скорость и продолжительность — должны соответствовать применяемой методике измерения концентрации.
