Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
T8OOV 03 STANOVENÍ PLYNNÝCH EMISÍ ORGANICKÝCH ROZPOUŠTĚDEL V ODPADNÍM VZDUCHU 3.1. ÚVOD Stanovení spočívá v adsorpci par těkavých organických látek na pevný sorbent, následuje desorpce vhodným rozpouštědlem a analýza plynovou chromatografií. Analyzovaný vzduch je prosáván trubičkou naplněnou vhodným sorbentem (aktivní uhlí, silikagel, tenax apod.). Po ukončení sorpce je polutant uvolněn buď zahřátím sorbentu ( tepelná desorpce ) nebo extrakcí vhodným rozpouštědlem. Volba sorbentu závisí na typu stanovované látky a na vlhkosti odebíraného vzduchu. Klasická, komerčně vyráběná sorpční trubička je znázorněna na obr. 1 Nejčastěji je trubička tvořena dvěma vrstvami, jedna vrstva je hlavní, druhá je pomocná a jsou od sebe odděleny vhodným materiálem, nezachycujícím analyzované látky. Nejdříve prochází vzorek hlavní vrstvou, jejímž úkolem je analyzovanou látku zachytit. Každá vrstva se analyzuje zvlášť. Pokud koncentrace v pomocné vrstvě nepřesáhne 25 % obsahu vrstvy hlavní, je možné považovat odběr za správný a obě hodnoty se sečtou. Pokud ne, je předpoklad, že došlo k průniku. Výsledek můžeme použít pouze jako orientační.
Pro výpočet emise (emisního toku [mg.h-1]) je nutné změřit objemový průtok odpadního vzduchu. Podmínka úplné shody odebíraného vzorku vzdušiny a vzdušiny proudící uvnitř vzduchovodu je splněna pouze v isokinetickém odběru Izokinetický odběr takový, kde odebíraný dílčí proud plynu má stejnou rychlost jako hlavní proud plynu ve vzduchovodu (i stejné granulometrické složení tuhých příměsí). Koncentrace sledovaných látek jsou zpravidla dostatečně vysoké. Vzorkování při měření emisí je často značným úskalím. Často je nutné odstranit rušivé složky, zamezit kondenzaci vzorku, zajistit teplotní a tlakové podmínky odběru (např. teplota může být extrémně vysoká - komíny, spalovny apod.), především je však nutno zajistit izokinetický odběr. Komplikujícím faktorem (spíše pro výrobce vzorkovacích zařízení) je korosivita některých škodlivin - např. SO2. Vyplývá z toho zásada nepoužívat na vzorkování emisí zařízení, která na to nejsou určena! Vlastní měřicí místo musí být umístěno na rovném úseku vzduchovodu, dostatečně vzdáleno od ohybů a kloubů! - zajištění laminárního proudění.
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
3.2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Použité chemikálie a přístroje - odběrová aparatura (sorpční trubičky SKC, čerpadlo, průtokoměr, hadice, tlačka, plynoměr) - měřicí přístroj Therm 2295-2 - Prandtlova trubice, kapacitní vlhkostní snímač - plynový chromatograf Agilent HP , - adsorpční trubičky SKC, aktivní uhlí (zrnění 0,8 – 1,2 mm) - sirouhlík CS2 250 ml - toluen v sirouhlíku koncentrace 1 µl CS2 v 1 ml toluenu - toluen technický 3 l - vialky uzavřené septem s teflonovým povrchem 4 ml 50 ks - stříkačka Hamilton 10 µl 1 ks - Petriho misky velké - 3 ks, odměrný válec 250 ml 1 ks, nálevka, - kádinka 25 ml 1 ks , kádinka 800 ml 1ks Příprava sorpčních trubiček Aktivní uhlí (zrnění 0,8 – 1,2 mm) se důkladně propere studenou destilovanou vodou. Usuší se a poté se aktivuje při 200 °C cca 2 hodiny. Uchovává se v exsikátoru. Skleněné trubičky o průměru 4 mm, opatřené z jedné strany sítkem, se naplní 3 cm aktivního uhlí, utěsní skelnou vatou a uzavřou uzávěry.
Volba průřezu měření a stanovení počtu bodů měření Volba průřezu měření vzduchovodu stejně jako počet bodů měření se řídí ČSN 124070. Počet bodů měření se určuje v závislosti na ekvivalentním průměru De a délce rovného úseku vzduchovodu L (Tabulka 1). Ekvivalentní průměr se vypočte podle vzorce De = 2 A B / (A + B) Plocha průřezu vzduchovodu s obdélníkovým nebo čtvercovým průřezem se dělí na geometricky shodné rovnoploché dílčí průřezy podle obr. 2 Body měření leží v těžištích těchto dílčích průřezů, jejichž pravoúhlé souřadnice se vypočtou ze vzorců
Ai = A ⋅
2.i A − 1 2.n A
Bi = B ⋅
2.i B − 1 2.n B
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
Tab. 1
Obr. 2
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
Měření rychlosti proudění vzdušiny a výpočet objemového průtoku vzdušiny Rychlost proudění zjistíme změřením dynamického pdi a následným výpočtem. Dynamický tlak se měří přístrojem Therm 2295-2 s připojením Prandtlové trubice a rovná se rozdílu mezi celkovým a statickým tlakem (obr.3).
Měření dynamického tlaku pdi. Nejprve se přístroj Therm 2295-2 zapne přepínačem na levé straně přístroje. Po zapnutí přístroje probíhá automaticky test segmentů a samokalibrace (trvá asi 20 sekund). V průběhu této automatické kalibrace tlakového senzoru musí být tlaková diference na připojovacích hrdlech nulová (hadice jsou odpojeny). Po proběhnutí kalibrace (nulování) se přístroj nachází v režimu měření tlaku. Prandtlova trubice se připojí k hrdlům tlakových přípojek přístroje Therm 2295-2 pomocí dvou hadic. Pravé hrdlo slouží k připojení statického tlaku, levé hrdlo slouží pro připojení celkového tlaku. Prandtlova trubice se zasune do potrubí tak, aby přední zahnutá část sondy byla rovnoběžná se směrem proudění vzdušiny, otvor je namířen proti proudění (obr.3) Změřte hodnotu dynamického tlaku v jednotlivých bodech měření. Měření tlakového rozdílu ∆p Změřte tlakový rozdíl ∆p, který přestavuje rozdíl mezi tlakem atmosférickým pa a statickým tlakem v potrubí p. Vývod pro měření statického tlaku se připojí na levé hrdlo přístroje, vývod pro celkový tlak směřuje do atmosféry. Prandtlova trubice se umístí stejně jako v předchozím případě do vzduchovodu, zaznamená se hodnota tlakového rozdílu ∆p. Měření relativní vlhkosti a teploty Změřte relativní vlhkost ve vzduchovodu.
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
K měření se použije kapacitní vlhkostní snímač se zabudovaným teplotním čidlem. Sonda se připojí k měřicímu přístroji Therm 2295-2. Měření vlhkosti se aktivuje stlačením tlačítka V/H a otočením kódového přepínače v bateriovém prostoru na pozici 7. Na displeji se objeví měřená hodnota v % rH. Měření teploty se aktivuje tlačítkem T [°C]. K měření teploty se použije stejná sonda jako pro měření vlhkosti.
Výpočet rychlosti proudění a objemového průtoku vzdušiny V´N Pro výpočet rychlosti proudění existuje vztah:
v=
2
σ
⋅ p di
pdi – dynamický tlak [Pa], měřený Prandtlovou trubicí σ - hustota vzduchu [kg/m3] za podmínek měření
σ =σN ⋅
273,15 ⋅ p T ⋅ pN
σN - hustota vlhké vzdušiny za normálních podmínek [kg/m3] p – statický tlak uvnitř vzduchovodu [Pa]
p = p a + ∆p pa – atmosférický tlak [Pa], ∆p – tlakový rozdíl [Pa], měří se Prandtlovou trubicí T – teplota ve vzduchovodu [K] pN – normální tlak (101 325 Pa)
pp
pp
+ σ PN ⋅ σ N = σ SN ⋅ 1 − p p σSN – hustota suché vzdušiny (1,2929 kg/m3) σPN – teoretická hustota vodních par za normálních podmínek (0,7683 kg/m3) pp – parciální tlak vodní páry ve vzdušině [Pa] pp =
Φ ⋅ pv 100
Φ - relativní vlhkost [%] pv – tlak nasycené páry při dané teplotě [Pa]
Střední rychlost proudění se vypočte podle vztahu:
v=
1 2 ⋅ ⋅ ∑ p di n σ
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
Objemový průtok V´ [m3/s] určovaný prostřednictvím střední rychlosti vzduchu se vypočte: V ´= v ⋅ S S – průřez vzduchovodu (m2) Objemový průtok vzdušiny při normálních podmínkách V´N: V ´ N = V ´⋅
TN ⋅ ( p − p p ) T ⋅ pN
V´N objemový průtok za normálních podmínek
Měření emise organických rozpouštědel Odběr vzorku vzdušiny 1. Do vybraného bodu měření odpadního potrubí z digestoře se zavede sonda (skleněná trubice o světlosti cca 5 mm). Sonda musí být umístěna tak, aby byl zaručen izokinetický odběr. K sondě se připojí zkušební adsorpční trubička SKC, popřípadě dvě trubičky vyrobené dle postupu příprava adsorpčních trubiček, čerpadlo, regulační ventil a plynoměr (aparatura dle obr. 4). Zapne se čerpadlo a regulačním ventilem se nastaví průtok na 250 – 400 ml/min.
1- sonda, 2- sorpční trubičky, 3 – průtokoměr, 4- regulační ventil 5-čerpadlo, 6 - plynoměr
2. Po nastavení průtoku se vypne čerpadlo, odečte stav plynoměru, vymění trubička zkušební za novou absorpční trubičku SKC, a po zapnutí digestoře v laboratoři 436 se zahájí odběr vzorku vzdušiny zapnutím čerpadla do sítě. 3. Do digestoře v laboratoři č. 436 umístěte jednu, popřípadě dvě Petriho misky, na které nadávkujte celkem 300 ml těkavého organického rozpouštědla (toluen apod.). Zapněte digestoř a současně zapněte čerpadlo odběrové aparatury. Zaznamenejte čas zahájení a ukončení odběru. Odebere se 15 – 25 l vzduchu. Trubičku po odběru ihned utěsněte uzávěry.
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
4. Zaznamenejte atmosférický tlak a teplotu. 5. Po ukončení odběru změřte množství toluenu, který se během odběru v digestoři neodpařil, zbytek navraťte ho do láhve. Proveďte extrakci toluenu samostatně z hlavní i pojistné adsorpční vrstvy trubičky do sirouhlíku.
Analýza odebraného vzorku . Trubičky s odebraným vzorkem (hlavní a pojistná) se analyzují samostatně. Hlavní i vedlejší sorpční vrstva se vysype (samostatně) do předem připravené dobře těsnící nádobky (vialky). Přidá se 1 ml CS2 a obsah se důkladně protřepe. Extrakci sirouhlíkem (jed!) provádějte zásadně v digestoři. Po důkladném protřepání (30 min. přerušované ruční třepání) se sorbent nechá usadit a po ustavení rovnováhy se extrakt analyzuje metodou plynové chromatografie. Při použití statické desorpce je nutno výslednou hodnotu hmotnostní koncentrace analyzované látky korigovat o desorpční účinnost (Du). Stanovení desorpční účinnosti je uvedeno v příloze A. Výpočet hmotnostní koncentrace analyzované látky mx [mg/m3]
mx =
c.1000.σ .VR V N .Du
c – koncentrace analyzované látky ρ – hustota analyzované látky VR – objem rozpouštědla, použitého k extrakci VN – objem odebraného vzduchu korigovaný na normální podmínky Du – desorpční účinnost (pro trubičky SKC počítejte s 99%) VN = VVz ⋅ kde: VVz – objem odebraného vzduchu pa – atmosférický tlak T – teplota odebíraného vzduchu pN – normální tlak (101 325 Pa)
[µl/ml] [g/ml] [ml] [l]
TN ⋅ pa T ⋅ pN [l] [Pa] [°K] [Pa]
Emise znečišťující látky v odpadním vzduchu se vypočítá podle vztahu: E x = mx ⋅V ´N Ex – emise znečišťující látky [mg/hod] mx – hmotnostní koncentrace analyzované látky [mg/m3] V´N – objemový průtok vzdušiny při normálních podmínkách [m3/s]
3.3 Závěr Do protokolu uveďte: Stručně princip stanovení Veškeré výpočty. Porovnání vypočtené rychlosti proudění vzdušiny s hodnotou rychlosti proudění naměřenou pomocí Prandtlovy trubice Hmotnostní koncentraci analyzované látky. Bilanci emisí toluenu. Vypočtenou hodnotu emise toluenu v odpadním vzduchu Ex porovnejte s množstvím toluenu odpařeného v digestoři.
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
Příloha A
Stanovení desorpční účinnosti Du Stanovení desorpční účinnosti Du se stanovuje pouze v případě, že pro adsorpci toluenu se využijí trubičky zhotovené v laboratoři (viz kapitola Příprava adsorpčních trubiček). V případě využití komerčně dodávaných adsorpčních trubiček od firmy SKC, počítáme s desorpční účinností 99 %, tak jak uvádí výrobce. Desorpční účinnost (Du) je definována jako zpětný zisk látek po desorpci ze sloupce aktivního uhlí. Při statické desorpci, která je technicky méně náročná a tudíž i častěji používaná, se ustaví adsorpční rovnováha zachycené látky mezi fází kapalnou (CS2) a pevnou (aktivní uhlí). Poloha rovnováhy je závislá na příslušných rozdělovacích koeficientech. Tyto jsou funkcí koncentrace, složení roztoku a teploty. Postup : Do vialky uzavřené septem s teflonovým povrchem vysypeme z nepoužité trubičky aktivní uhlí. K aktivnímu uhlí se přidá 3 μl analyzované látky (toluen). Vialka se dobře uzavře, protřepe a nechá se probíhat adsorpce nejlépe přes noc. Ve cvičeních se tato operace provede ihned na začátku cvičení, po přípravě adsorpčních trubiček. K aktivnímu uhlí se přidá extrakční činidlo (3 ml sirouhlíku), dobře se protřepe (30 minut přerušované třepání v ruce) a extrakt se analyzuje metodou plynové chromatografie. Odezvu detektoru u takto přiopraveného extraktu označíme Ai, odezvu detektoru na kalibrační roztok (1 μl toluenu v l ml sirouhlíku) Ast. Desorpční účinnost se vypočte ze vztahu: Du =
Ai * 100 Ast
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí FT UTB ve Zlíně Návody na laboratorní cvičení z předmětu T8OOV Ochrana ovzduší
Tlak nasycených par vody a absolutní vlhkost t [°C]
p [kPa]
Fmax [g/m3]
t [°C]
p [kPa]
Fmax [g/m3]
-10
0,26
2,14
20
2,34
17,291
-9
0,28
2,33
21
2,49
18,330
-8
0,31
2,54
22
2,64
19,422
-7
0,34
2,76
23
2,81
20,570
-6
0,37
2,99
24
2,98
21,776
-5
0,40
3,24
25
3,17
23,042
-5
0,40
3,24
26
3,36
24,372
-4
0,44
3,51
27
3,56
25,766
-3
0,48
3,81
28
3,78
27,229
-2
0,52
4,13
29
4,00
28,762
-1
0,56
4,47
30
4,24
30,368
0
0,61
4,847
31
4,49
32,052
1
0,66
5,192
32
4,75
33,816
2
0,71
5,558
33
5,03
35,661
3
0,76
5,947
34
5,32
37,591
4
0,81
6,359
35
5,62
39,610
5
0,87
6,795
36
5,94
41,722
6
0,93
7,259
37
6,27
43,929
7
1,00
7,748
38
6,62
46,234
8
1,07
8,268
39
6,99
48,643
9
1,15
8,817
40
7,37
51,156
10
1,23
9,397
41
7,78
53,781
11
1,31
10,010
42
8,20
56,516
12
1,40
10,658
43
8,64
59,372
13
1,50
11,342
44
9,10
62,348
14
1,60
12,064
45
9,58
65,454
15
1,70
12,825
46
10,09
68,686
16
1,82
13,647
47
10,61
72,051
17
1,94
14,475
48
11,16
75,552
18
2,06
15,366
49
11,74
79,202
19
2,20
16,302
50
12,34
83,001
přepočtená tabulka 4.4 Horák Z., Krupka., Šindelář V.: Technická fysika, SNTL Praha 1960 přepočtená tabulka 2.4.2. Cakl J., Źáková A., Hemer J. Příručka k chemicko inženýrským výpočtům, VŠCHT Pardubice 1988
