В воздухе рабочей зоны всегда присутствуют взвешенные частицы естественного и антропогенного происхождения.

Аэрозолями или аэродисперсными системами называются системы, состоящие из газообразной среды и взвешенных в ней частиц конденсированной дисперсной фазы (твердой, жидкой или многофазной). Особенностью аэрозольного состояния является чрезвычайно высокая удельная поверхность единицы массы вещества, что обусловливает высокую активность его взаимодействия с организмом.

Различают следующие виды аэрозолей:

пыль – дисперсная система из твердых частиц размером более 1 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии;

туман – дисперсная система из жидких частиц размером более 10 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии;

дым – дисперсная система из твердых частиц размером менее 1 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии.

Для определения степени воздействия на организм человека веществ, находящихся в аэрозольном состоянии, вводятся следующие основные параметры:

– дисперсный состав,

– концентрация аэрозоля,

– форма и строение частиц

– дополнительный параметр, в некоторых случаях приобретающий качества доминирующего – химический состав.

Дисперсный состав аэрозольных частиц описывается функцией распределения частиц по величине в определенном диапазоне размеров. Обычно за размер частицы принимается ее диаметр. Пыль с частицами размером от 1 до 10 мкм называется мелкодисперсной, с частицами размером от 10 до 50 мкм – среднедисперсной, с частицами размером более 50 мкм – крупнодисперсной.

Концентрация – мера количества вещества в единице массы или объема среды (твердой, жидкой или газообразной).

Форма частиц пыли может быть самой разнообразной: от простейших сплошных сфер, эллипсоида и кристаллов до сложнейших неправильных многосвязных образований.

 

Единицы измерения концентраций

 

В качестве единиц измерения концентраций используют следующие.

1. Объемные проценты показывают, сколько процентов общего объема смеси занимает данное вещество. Например, содержание кислорода в чистом воздухе составляет 20, 98 %.

2. Млн^-1 (ррm) и млрд^-1 (ррb) – показывают количество объемов данной примеси в 1 млн (млрд) объемов газовой смеси.

3. Мг/м³, мкг/м³ – массовые концентрации, определяют массу примеси в единице объема газовой смеси.

4. Мол/см³ и мол/м³ – счетные концентрации, показывают число молекул в 1 см³ или 1 м³. Эти единицы могут также обозначаться следующим образом: см^-3 и м^-3.

5. Мольная концентрация измеряется в моль/л. Используется для жидких сред.

 

Для установления связи между единицами измерения концентрации приведем следующую задачу.

Задача

В 80-х годах 20-го века среднегодовая концентрация углекислого газа (СО₂) в атмосфере, приведенная к температуре 273 К и давлению воздуха 101,3 кПа, достигла 340 ррm. Определить значение концентрации СО₂ в процентах, в см^-3, в моль/л, в мг/м³ и парциальное давление углекислого газа в Па при средней температуре воздуха вблизи поверхности Земли.

Решение

Концентрация СО₂ в процентах

С"' = С"·10^-4,

где С" – концентрация в ррm.

С"' = 340 ∙ 10^-4 = 0,034 % (об).

При нормальных условиях (н.у.) (t = 0 ºC; р = 101,3 кПа) в каждом см³ газа содержится

N₀ = Na/Vм = 6,02∙ 10²³/22,4 ∙ 10³ = 2,69 ∙ 10¹⁹ (cм^-3).

Число получается при делении числа Авогадро на объем, занимаемый одним молем газа, выраженный в см³.

Поскольку мольный объем газа меняется в зависимости от температуры и давления, при температуре Т и атмосферном давлении число молекул в кубическом сантиметре любого газа составит

N_Т = N₀

где N_Т и N₀ – число молекул в одном сантиметре кубическом данного газа при заданных и н. у соответственно; T₀, р₀, T, р –температура и давление при н.у. и заданных условиях.

Средняя температура вблизи поверхности Земли равна 15 ºС = 288 К. Тогда

N₁₅ =

Количество молекул углекислого газа в одном сантиметре кубическом воздуха при условии, что воздух и углекислый газ ведут себя как идеальные газы, можно определить, зная его объемную долю:

где С^* – концентрация СО₂ в ррm.

Определим парциальное давление СО2 в воздухе. Значения объемных концентраций примесей приводятся обычно в пересчете на сухой воздух, при определении парциального давления в реальных условиях следует учитывать парциальное давление паров воды, которые присутствуют в атмосферном воздухе. Поэтому рекомендуется пользоваться уравнением

р = (р_возд.- р_воды) ∙ С'''/100,

где р - парциальное давление примеси, кПа; р_возд – атмосферное давление, кПа; р_воды – давление паров воды, кПа; С''' – концентрация примеси в %; 100 – коэфициент перевода % (об.) в доли.

Поскольку в условиях задачи отсутствуют данные о парциальном давлении паров воды в воздухе, проведем упрощенный расчет:

р = (р_возд∙С''')/100;

р = (101,3∙3,4∙10^-2)/100 = 35 (Па).

 

Количество молей СО2 в 1 л воздуха

= n/V = m/μV = р/RT,

= 35/8,31∙288∙10³ =1,46∙10^-5 моль/л.

Концентрация углекислого газа в мг/м³

где μ = 0,044 кг/м³ – молярная масса углекислого газа.