Экспериментальное исследование адсорбции и десорбции паров воды тонковолокнистыми материалами ФПП и ФПА

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Обнинский государственный технический

университет атомной энергетики (ИАТЭ)

Факультет естественных наук

Ю.М. Глушков, Т.В. Мельникова

Лабораторный практикум по курсу

«Техника защиты окружающей среды»

Обнинск 2004

УДК 502.1 (076)

Глушков Ю.М., Мельникова Т.В. Лабораторный практикум по курсу «Техника защиты окружающей среды». – Обнинск: ИАТЭ, 2004. – 51 с.

Лабораторный практикум составлен для студентов специальности «Экология», специализация «Экологическая безопасность» в соответствии с программой учебной дисциплины «Техника защиты окружающей среды».

Практикум состоит из четырех лабораторных работ, закрепляющих лекционный материал по методам и аппаратам для очистки газовых и жидких сред перед их выбросом и сбросом в окружающую среду.

Илл.16, табл. 14, библ.12

Рецензенты: д.т.н. В.А. Бессонов

к.х.н. Э.Р. Клиншпонт

Темплан 2004, поз. 51

Ó Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, 2004 г.

Ó Ю.М. Глушков, Т.В. Мельникова, 2004 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа №1. Тонковолокнистые полимерные нетканые материалы ФП и их использование для тонкой очистки воздуха от аэрозольных частиц, а также для определения массовой концентрации пыли и объемной активности радиоактивных аэрозолей в воздухе....... 4

Лабораторная работа №2. Изучение процесса образования и оседания в воде суспензии кристалликов сульфита кальция СаSO₃.................................................................................... 18

Лабораторная работа №3. Адсорбция и ее использование для очистки воды от органических примесей 28

Лабораторная работа №4. Изучение геометрии и гидродинамических свойств доочистителя питьевой воды «Здоровье».................................................................................................................. 42

Цели и задачи работы. Полимерные нетканные тонковолокнистые материалы фильтров Петрянова (ФП) в зависимости от их свойств (гигроскопичность, температура размягчения, отношение к кислотам, щелочам, органическим растворителям) могут быть использованы для выполнения различных работ: отбор проб аэрозолей с целью определения их массовой концентрации (мг/м³) и объемной активности (Бк/м³), определение химического состава аэрозольных частиц, тонкая отчистка воздуха от аэрозольных частиц в лабораториях и на предприятиях.

В работе вы познакомитесь с наиболее распространенными марками материалов ФП; изучите их гигроскопичность, геометрию и гидродинамические свойства; определите массовую концентрацию пыли в воздухе лаборатории и сравните ее с ПДК; убедитесь, что в воздухе лаборатории, как и в воздухе любого другого помещения, и в атмосферном воздухе присутствуют радиоактивные элементы – радон и радиоактивные дочерние продукты его распада.

Приборы, материалы, реактивы: весы аналитические ВЛР–200 с разновесом и пинцетом, пылесос, лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), ротаметр для определения расходов воздуха от 60 до 100 л/мин, ареометр для измерения расходов от 0 до 10 л/мин, фильтродержатель для аэрозольных аналитических фильтров с рабочей поверхностью 20 см², фильтры АФА-ВП-20 из материала ФПП-15-1.5 и фильтры АФА-ХА-20 из материала ФПА-15-2.0, микроскоп с измерительным окуляром и с объект-микрометром, предметное стекло, ацетон (или дихлорэтан, или ксилол, или смесь ксилола (94 %) и трикрезилфосфата (6 %)) 50 мл, капельница, аспирационный психрометр, барометр, эксикатор малый с прокаленным CaCl₂, эксикатор малый с водой (или стакан диаметром > 20 см с крышкой), дозиметр-радиометр бытовой ИРД-02Б1, пинцет с плоским захватом для работы с фильтрами, сушильный шкаф, термометр на интервал температур от 15 до 30 ⁰С, резиновые трубки, стеклянные тройники, миллиметровая бумага, калькулятор.

Экспериментальное исследование адсорбции и десорбции паров воды тонковолокнистыми материалами ФПП и ФПА

Из эксикатора возьмите фильтр АФА-ВП из материала ФПП-15-1,5 и с помощью аналитических весов проследите изменение его массы во влажной атмосфере лаборатории в зависимости от времени. В отчете укажите относительную влажность В и температуру Т воздуха в лаборатории и в эксикаторе. В эксикаторе фильтры выдерживаются при относительной влажности В ≈ 0. Влажность В ≈ 0 поддерживается в эксикаторе с помощью силикагеля или прокаленного хлорида кальция СаС1₂. Измерения проводите до достижения постоянной массы фильтра, определенной с погрешностью 0.0002 г.

Составьте табл. 1 и на основании ее данных постройте график зависимости массы фильтра m от времени t (рис. 1).

Повторите те же самые измерения с фильтром АФА-ХА-20.

Составьте табл. 2 результатов измерений. На основании данных табл.2 постройте график зависимости массы фильтра АФА-ХА-20 от времени.

Таблица 1

Масса фильтра АФА-ВП из материала ФПП-15-1.5 в зависимости от времени (В_экс≈ 0, В_лаб=__, Т =__⁰С)

t	Dt, мин	m, г
11:30:30
11:31:00	0,5
11:31:30
…	…	…

Вопросы. Что такое относительная влажность? Как ее измеряют? Какие процессы протекают на поверхности волокон из ацетилцеллюлозы и перхлорвинила при изменении относительной влажности воздуха? Масса какого фильтра практически не изменяется при изменении влажности воздуха? Какие фильтры можно использовать для весового анализа?

Экспериментальное определение массовой концентрации пыли в воздухе лаборатории С, мг/м3. Оценочный эксперимент, показывающий, что в составе пыли содержатся короткоживущие b-радиоактивные атомы – продукты распада газообразного радиоактивного элемента радона. Изучение формы и размеров уловленных частиц пыли

После измерения массы на аналитических весах чистый фильтр АФА-ВП используйте для определения массовой концентрации (С, мг/м³) пыли в воздухе лаборатории, усредненной за 30 минут (см. в [3] с. 588 или приложение 1). Полученный результат сравните с ПДК_мр. Учтите, что частицы пыли в воздухе лаборатории состоят, главным образом, из хлопковых и шерстяных фрагментов волокон одежды, частиц верхнего рогового слоя кожи, пыльцы растений, минеральной пыли с улицы, с пола и стен. В отчете выпишите для сравнения все значения ПДК: ПДК_рз, ПДК_мр, ПДК_сс для пылей разного состава (см. приложение 3).

Расход воздуха через фильтр при измерении концентрации пыли поддерживайте на уровне G = 80 л/мин с помощью ротаметра и лабораторного автотрансформатора (ЛАТР). Время отбора пробы 30 мин. Не забудьте измерить температуру и давление воздуха в лаборатории. Эти данные понадобятся при приведении объема прокачанного воздуха к нормальным условиям.

Рис. 2. Схема установки для отбора проб аэрозолей: 1 – фильтр; 2 – прокладки из резины для исключения подсоса воздуха, минуя фильтр; 3 –фильтродержатель; 4 – ротаметр с поплавком для измерения объемного расхода воздуха; 5 – воздуходувка; 6 – лабораторный автотрансформатор (для регулирования расхода воздуха)

Оцените погрешность полученного результата, считая, что время прокачки воздуха через фильтр измерено с относительной погрешностью 0.3 %, объемный расход воздуха измерен с относительной погрешностью 5 %, абсолютная погрешность измерения массы пыли определяется точностью используемых весов.

Оцените проскок частиц пыли через фильтры АФА-ВП, используя данные, приведенные в приложении 4.

Сразу после отбора пробы аэрозоля на фильтре измерьте суммарный поток от него b-частиц и g-квантов с помощью радиометра ИРД-02Б1 и сравните его с суммарным потоком b-частиц и g-квантов от неиспользованного фильтра (переключатель режимов работы радиометра в положении «част./(мин см²)», поверхность датчика не закрыта металлическим экраном и располагается над фильтром на расстоянии 1 мм). Увеличение потока объясняется задержкой на экспонированном фильтре аэрозольных частиц, содержащих атомы короткоживущих b-радиоактивных дочерних продуктов распада радона ²²²Rn (²¹⁴Pb, T_1/2= 26.8 мин; ²¹⁴Bi, T_1/2= 19.8 мин). Радон (²²²Rn, Т_1/2=3.82 сут.) содержится в воздухе любого помещения, в стенах которого присутствуют атомы рассеянного элемента ²³⁸U (см. приложение 5).

Просветление экспонированного фильтра и изучение под оптическим микроскопом формы и размеров уловленных частиц пыли проведите в соответствии с описанием, приведенным в приложении 6.

3. Экспериментальное определение некоторых характеристик фильтров – удельной массы, пористости

1. Определите площадь S фильтра АФА-ВП-20 в целом и площадь S_раб его рабочей поверхности (массу m вы уже определили). Оцените удельную массу фильтрующего материала, m/S, г/см² или г/м². Сравните полученный результат m/S с величиной, указанной в технических характеристиках фильтров (приложение 4).

2. Оцените пористость b фильтрующего материала, зная плотность перхлорвинила r = 1.53 г/см³, толщину материала h = 0.2 мм, массу m фильтра, площадь S фильтра.

3. Пункты 1 и 2 выполните для фильтра АФА-ХА-20 из материала ФПА-15-20. Плотность ацетилцеллюлозы r = 1.31 г/см³.