Свойства пыли. Основные свойства промышленных пылей

Наиболее важные физические и химические свойства пылей обуславливаются их дисперсностью, формой частиц, способностью к растворению и химическим составом.

Для гигиенической оценки пыли наиболее важным признаком является ее дисперсность. С размерами пылевых частиц связаны длительность пребывания их во взвешенном состоянии в воздухе, глубина проникновения в дыхательные пути, физико-химическая активность и другие свойства.

Дисперсность и поведение пылевых частиц в воздухе. Пылевые частицы размером более 200 мк, подчиняясь закону тяготения, не испытывают большого сопротивления воздуха и быстро оседают с возрастающим ускорением. Пылевые частицы размером менее 200 мк до 0,1 мк, испытывая сопротивление воздуха, оседают с постоянной незначительной скоростью, измеряемой в миллиметрах или сантиметрах в час.

Частицы пыли менее 0,1 мк практически не оседают и находятся в постоянном беспорядочном движении в воздухе.

Таким образом, чем меньше размер пылевых частиц, тем дольше они задерживаются взвешенными в воздухе, следовательно, тем больше возможность попадания их в дыхательные пути.

Степень дисперсности промышленных аэрозолей зависит прежде всего от способа их образования. Только что образовавшиеся аэрозоли конденсации (дымы) имеют размеры меньше 1 мк. С течением времени они агрегируются и в виде хлопьев выпадают из воздуха.

Размеры аэрозолей дезинтеграции (пыли) зависят от вещества, из которого они получены, и интенсивности его размельчения. Чем тверже вещество и чем интенсивнее его размельчение, тем выше степень дисперсности пылевых частиц.

Благодаря сравнительно быстрому оседанию крупных пылевых частиц от 10 мк и более, обычно в воздухе производственных помещений преобладают пылевые частицы до 10 мк, причем 70-90% из них составляют частицы размером до 5 мк.

Химический состав пыли. От химического состава пыли зависит ее биологическая активность, в частности то или иное действие на организм человека: токсическое (отравляющее), раздражающее и др.

Химическая активность пыли увеличивается с повышением ее дисперсности, т. е. с увеличением удельной поверхности размельчаемых веществ.

Большое значение имеет растворимость пыли. Если пыль не токсична и действие ее на ткань сводится к механическому раздражению, то хорошая растворимость такой пыли в тканевых жидкостях является благоприятным фактором. В случае токсичной пыли хорошая растворимость является отрицательным фактором.

Пыль оказывает вредное действие главным образом на дыхательные пути, вызывая заболевания как их верхних отделов, так и легких, а также действует на кожу и глаза.

При вдыхании пылевых частиц размером 5 мк и более они всецело задерживаются в верхних дыхательных путях, в первую очередь в полости носа. Это вызывает травмирование и раздражение слизистой, которое при дальнейшем развитии процесса переходит в катар, вначале гипертрофический (т. е. с разрастанием ткани), а затем атрофический с заменой мерцательного эпителия плоским и гибелью железистого аппарата. Фильтрующая способность носовой полости поэтому сильно снижается, а в далеко зашедших случаях вовсе исчезает. Постепенно под влиянием длительного воздействия различных видов пылей развиваются хронические воспалительные процессы и на других участках дыхательных путей (риниты, фарингиты, трахеиты, бронхиты). Некоторые виды пыли, обладающие большой химической активностью (хром, мышьяк), могут при длительном воздействии вызвать изъязвление и прободение носовой перегородки.

Вне зависимости от физико-химических свойств все виды пылевых частиц вначале оказывают на легочную ткань механическое действие. При этом легочная ткань реагирует на них, как на инородное тело, стремясь удалить его. Защитная функция организма, способствующая очищению легких от пыли, носит название фагоцитоза и состоит в следующем.

Пыль, попавшая в легкие, поглощается так называемыми пылевыми клетками (клетками легочного эпителия), которые затем стремятся удалить пыль из легких различными путями. Один из путей - удаление пыли вместе с мокротой. Другой путь - удаление пыли по лимфатическим путям. Частицы пыли размером менее 1 мк фагоцитируются легче; более крупные пылинки, а также кварцевая пыль удаляются медленно и накапливаются в легких и в лимфатических, узлах, приводя их к поражению.

Пыль, проникшая глубоко в дыхательные пути, может привести к развитию в них специфического заболевания - пневмокониоза, сущность которого заключается в развитии фиброза, т. е. замещения легочной ткани соединительной тканью.

В зависимости от характера вдыхаемой пыли различают следующие виды пневмокониозов:

• силикоз , вызываемый воздействием пыли, содержащей свободную кристаллическую двуокись кремния SiO 2 ;
• силикатоз , вызываемый воздействием пыли, содержащей двуокись кремния в связанном состоянии (силикаты - пыль асбеста, талька);
• антракоз - пневмокониоз, вызываемый воздействием угольной пыли;
• сидероз - пневмокониоз, вызываемый, например, пылью железа.

Силикоз - наиболее тяжелый и наиболее распространенный вид пневмокониоза. Силикоз развивается обычно через 5-10 или 15 лет работы, связанной с вдыханием кварцсодержащей пыли, При очень высоком содержании свободной SiO 2 во вдыхаемой пыли заболевание может развиваться раньше.

Силикоз следует рассматривать как тяжелое заболевание организма в целом, при котором происходят значительные изменения в различных органах и системах (нервной, сердечно-сосудистой, лимфатической и др.). Нередко он осложняется туберкулезом.

Кроме пневмокониоза, вдыхание пыли может быть причиной повышенной заболеваемости воспалением легких. Особенно это относится к томасовой пыли, образующейся в сталеплавильном производстве и содержащей в своем составе фосфорные соединения.

Пыли, оказывающие раздражающее действие на кожу (пыли синтетических смол, извести, карбида кальция), могут вызвать различные воспалительные процессы вплоть до язвенных поражений (дерматиты, экземы). При большой запыленности воздуха попадающие на кожу пылевые частицы могут проникнуть в отверстия сальных и потовых желез, вызвать их закупорку, а следовательно, нарушить нормальную деятельность кожи, чем будет снижена ее сопротивляемость к проникновению микробов.

Твердые пылинки с острыми краями могут вызвать травмы глаз. Запыление глаз приводит к развитию конъюктивита и изменению роговицы.

Способы определения физико-химических свойств пыли в значительной степени зависит от свойств пылегазового потока. При проектировании и оценке работы аппаратов и систем пылеулавливания необходимо учитывать ряд свойств подлежащей улавливанию пыли. В работе предложена классификация пылей, которая предусматривает деление свойств и соответствующих характеристик пылевидных материалов на четыре группы.

К первой группе способы определения физико-химических свойств пыли относятся свойства вещества, из которого состоят частицы: химический состав вещества, его упругость, твердость, плотность, электропроводность, диэлектрические и магнитные свойства, гигроскопичность, растворимость.

Вторую группу составляют способы определения физико-химических свойств пыли индивидуальных частиц. Сюда относятся геометрические параметры - размер, форма, шероховатость и поверхностные свойства материала, из которого состоят частицы. Поверхностные свойства и геометрические параметры наряду со свойствами материала влияют на силы аутогезии и силы трения в индивидуальных контактах.

В третью группу входят способы определения физико-химических свойств пыли пылевидного материала как совокупности множества частиц. Эти свойства не зависят от плотности упаковки частиц. Аутогезионная способность частиц и дисперсный состав определяют аутогезионную способность пылевидного материала, т е. его способность противостоять растягивающим нагрузкам за счет сил аутогезии. Эту характеристику называют также слипаемостью пыли. Ее можно количественно характеризовать по прочности на разрыв слоя, уплотненного стандартной нагрузкой (50кПа).

Методы расчета эффективности работы пылеуловителей определяют внутреннее трение пылевидного материала, от которого зависят условия сечения и разрушения пылевых слоев. Для грубодисперсных материалов внутреннее трение исчерпывающе характеризуется углом внутреннего трения и сцеплением слоя.

Методы расчета эффективности работы пылеуловителей пыли как дисперсного материала в конкретных пылеуловителях. К таким технологическим характеристикам относятся уплотняемость пыли, угол естественного откоса, угол обрушения, скорость истечения из воронки, максимальный сводообразующий размер отверстия, способность к псевдоожижению, распыляемость, комкуемость, слеживаемость.

В четвертую группу входят свойства пылевого слоя, сформированного из данного пылевидного материала. Специфическими характеристиками пылевого слоя являются плотность упаковки частиц и прочность контактов между частицами. Они зависят от свойств пылевидного материала и условий формирования слоя при механической фильтрации (рукавные фильтры, зернистые фильтры), электрической фильтрации (электрофильтры) и др.

Плотность пыли. Это одна из важнейших характеристик, от которой зависит эффективность работы пылеуловителей. Различают: истинную плотность (масса единицы объема частиц, не имеющих пор); кажущуюся плотность (масса единицы объема частиц, включая объем закрытых пор); объемную плотность (масса единицы объема частиц, включая объем закрытых и открытых пор); насыпную плотность (масса единицы объема уловленной пыли, свободно насыпанного в какую-либо емкость непосредственно после ее заполнения. В объем входят внутренние поры частиц и промежуточное пространство между ними); насыпную плотность при встряхивании (масса единицы объема пыли при самой плотной упаковке частиц, достигаемой путем встряхивания).

По данным о плотности частиц определяют седиментационный диаметр частиц, насыпную плотность для расчета и выбора объема бункеров и пылевыгрузных устройств. Плотность пыли определяют только после отделения ее частиц от газовой среды. Методики определения плотности уловленной пыли и порошкообразного материала идентичны.

Если пыль получена путем измельчения монолита, то плотность материала частиц совпадает с истинной плотностью. Частицы промышленной пыли, образующейся в результате термической обработки, гранулирования, сушки и других процессов, имеют закрытые поры, из которых не удается удалить газовые включения. Плотность таких частиц соответствует кажущейся плотности.

Промышленная пыль может состоять из частиц как одинаковой, так и различной плотности. К первому виду относятся, например, кварцевая, корундовая пыль или химически чистые соли, ко второму - летучая зола, в грубых фракциях которой имеются несгоревшие частицы топлива, а в тонких - повышенное количество солей кальция и щелочных металлов.

В зависимости от крупности фракции могут содержать частицы раз личной структуры. Так, в грубых фракциях силикагеля и синтетически моющих порошков содержатся неразрушенные полые частицы, а в той них - разрушенные, имеющие другую структуру и соответственно другую кажущуюся плотность. В тех случаях, когда плотность различных по крупности частиц существенно различается, пыль необходимо разделить на фракции, и при вычислении седиментационного диаметра еле дует принимать для отдельных фракций соответствующие значения плотности.

Для расчетов, связанных с выбором или оценкой работы пылеуловителей, требуются сведения о кажущейся плотности, найденные для всей совокупности частиц в пробе. Такие данные можно получить методом пикнометрии с применением жидкости, не смачивающей частиц! и, следовательно, не заполняющей имеющиеся в них поры.

Пикнометрический способ определения физико-химических свойств пыли основан на определении объема жидкости, вытесненной пылью, масса которой известна. Частное от деления массы пробы на вытесненный ею объем есть плотность пыли.

Применяемая жидкость не должна взаимодействовать с пылью. Поэтому целесообразно пользоваться жидкостью, применяемой для дисперсионного анализа жидкостным седиментометрическим методом.

Способы определения физико-химических свойств пыли определяется отношением массы свеженасыпанных твердых частиц к занимаемому ими объему с учетом воздушных промежутков между частицами. Величиной насыпной плотности пользуются для определения объема бункеров пылеуловителей, а также при выборе систем транспортировки уловленной пыли (шнеки, пневмонасосы и др.). С увеличением однородности частиц по размерам их насыпная плотность уменьшается, так как увеличивается относительный объем воздушных прослоек. Установлено, что насыпная масса слежавшейся пыли в 1,2 - 1,5 раза больше, чем свеженасыпанной, следовательно, она занимает объем в 0,7 - 0,9 раза меньше первоначального.

Кажущаяся плотность гладких монолитных частиц совпадает с истинной, очевидно, такие частицы будут лучше улавливаться в сухих пылеуловителях (циклонах, рукавных фильтрах, электрофильтрах), чем пористые, так как при одинаковой массе они в меньшем количестве подвержены выносу с газовым потоком из аппарата. В зависимости от степени гидратации пыли величины кажущейся и насыпной плотности могут различаться в 2 - 3 раза.

Дисперсный состав пылей. Дисперсный состав является одной из важнейших характеристик тонкоизмельченных материалов, определяющих их физико-химические свойства. В технике пылеулавливания и очистки газов дисперсный состав пыли имеет решающее значение, так как основной круг вопросов по расчету и выбору оборудования связан с этим параметром подлежащей улавливанию пыли.

Дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом пыли называется характеристика состава дисперсной фазы по размерам или скоростям оседания частиц. Она показывает, какую долю по массе, объему, поверхности или числу частиц составляют частицы в любом диапазоне их размеров или скоростей оседания. Дисперсный состав может быть выражен в виде таблицы, кривой или формулы распределения частиц пыли.

Степень дисперсности представляет собой качественный показатель, характеризующий "тонкость" пыли. В качестве условных показателей этого же свойства используются удельная поверхность, средний диаметр частиц, медианный диаметр и другие величины.

Проходом D (остатком R) называется выраженная в процентах доля массы пыли, прошедшая через сито (оставшаяся на сите) с заданными размерами ячеек, от общей массы просеиваемой пробы пыли. Термины "проход" и "остаток"; применяют и для подситовой области, подразумевая при этом долю массы частиц меньше или больше заданного размера.

Оформление результатов анализа. Результаты определения дисперсного состава в большинстве случаев представляются в виде таблиц. Наиболее часто данные дисперсионного анализа даются в виде фракций, выраженных в процентах от общего числа или массы (табл. 1.7).

Таблица 1.7 Фракции пыли.

В некоторых методах анализа результаты записываются в виде таблиц с указанием процента массы или числа частиц, имеющих размер больше или меньше заданного (табл. 1.8).

Результаты дисперсионного анализа можно представить в вид графиков. Принимая равномерным распределение частиц по размерам внутри каждой фракции, строят ступенчатый график, называемый гистограммой. По оси абсцисс откладывают размеры частиц, а по оси ординат - относительное содержание фракций, т. е. процентное содержание каждой фракции, отнесенное к массе всего материала (рис. 1.45, а) Если процентное содержание каждой фракции разделить на разность размеров частиц, принятых в качестве граничных, и найденные значения отложить в системе координат как ординаты точек, абсцисс которых равны среднему для соответствующих фракций размеру частиц, то через полученные точки можно провести плавную дифференциальную кривую распределения частиц по размерам (рис. 1.45, б). Однако наиболее удобным является графическое изображение результате дисперсионных анализов в виде интегральных кривых R(d ч) или D(d ч) каждая точка которых показывает относительное содержание частиц размерами больше или меньше заданного (рис. 1.45,в).

Интегральные кривые для частиц с логарифмически нормальный распределением удобно строить в вероятностно-логарифмической системе координат, где они приобретают вид прямых линий (рис. 1.45, г) Для построения такой системы координат по оси абсцисс в логарифмическом масштабе откладывают значения d ч, а по оси ординат - значения D(d ч) или R(d ч). Относительные длины отрезков х, соответствующих различным значениям D(d ч) или R(d ч).

Таблица 1.8 Фракции пыли с частицами меньше или больше заданного размера

Поскольку в вероятностно-логарифмической системе координат ось абсцисс начинается от точки на оси ординат, соответствующей значению 50%, значения х для D(d ч) или R(d ч) больше 50% откладываются вверх от начала оси абсцисс, а меньше 50 % - вниз.

Построив по результатам дисперсионного анализа интегральную функцию распределения частиц по размерам в вероятностно-логарифмической системе координат, можно (если получившийся график имеет вид прямой линии, свидетельствующий о логарифмически нормальном характере изучаемого распределения) выразить это распределение в виде параметров d m т и lg о ч (табл. 1.9).

Значению dm отвечает точка пересечения построенного графика с осью абсцисс, a lg o ч находят из соотношения, которое является свойством интеграла вероятности:

lg o ч = lg d 15,9 - lg d m = lg d m -lg dm 84.1 , если строился график функции R(d ч), или lg o ч = lg d m 84.1 - lg d m = lg d m - lg d 15,9.

Здесь d 84.1 и d 15.9 - абсциссы точек, ординаты которых имеют значения соответственно 84,1 и 15,9.

Рис. 1.45. Графическое изображение дисперсного состава:

а - распределение по фракциям; б - дифференциальная кривая распределения; в - интегральное распределение в линейном масштабе координат; г - интегральное распределение в вероятностно-логарифмической системе координат

Таблица 1.9 Дисперсный состав пылей, образующихся при некоторых технологических процессах.

Разработано большое число методов определения дисперсного состава пыли. В технике пылеулавливания и очистки газов практический интерес представляют приборы, позволяющие определить дисперсность частиц с учетом агрегации в пылегазовых потоках. К классу приборов, с помощью которых можно разделить частицы на фракции без предварительного выделения из пылегазового потока, относятся ротационные анализаторы пыли и каскадные импакторы.

Ротационный анализатор дисперсности пыли РАД-1. Метод основан на центробежной сепарации частиц пыли в процессе движения пылегазового потока по вращающемуся ротору и определении массы осадка на различном расстоянии от начала проточного канала ротора. При помощи РАД-1 можно определять дисперсный состав пыли в интервале 1,5-100 мкм при температуре газа до 160°С и запыленности газового потока до 50 г/м 3 .

Ротационный анализатор относится к классу центрифуг проточного типа. Пылегазовый поток просасывается по каналу вращающегося ротора. Под действием центробежных сил частицы пыли выделяются из потока и оседают на стенке канала. Скорость движения частиц к стенке канала пропорциональна квадрату их диаметра. Следовательно, распределение массы осадка по длине ротора обусловлено дисперсным составом пыли. Исходя из распределения массы осадка по длине канала, рассчитывают дисперсный состав пыли. Значения определяются по калибровочному графику, на котором по оси абсцисс в откладываются значения граничного седиментационного диаметра частиц, а по оси ординат значения длины канала ротора 1. На значение 1 оказывают также влияние частота вращения ротора, скорость движения запыленного потока по каналу ротора, а также плотность материала частиц и вязкость газа.

Общее количество осажденной в приборе пыли, отнесенное к объему прошедшего через ротор газа, дает величину запыленности потока.

Устройство прибора. Ротор анализатора (рис. 1.46) состоит из двух коаксиальных трубок 1 и 2 кольцевая щель 3 между ними служит проточным каналом ротора. Ротор размещен в корпусе, состоящем из трубки 6, на концах которой укреплены передняя 7 и задняя 11 головки.

Рис. 1.46. Ротационный анализатор пыли РАД-1

В головках расположены подшипники 4 и 5, а также устройства ввода и вывода потока газа из проточного канала. По оси передней головки посредством винтообразных направляющих фиксируется конус-обтекатель 7. В задней головке с помощью уплотнений 8 образуется герметичная камера 12, сообщающаяся через окна 9 и 10 в трубке 2 с проточным каналом ротора 3.

Пылегазовый поток по заборной трубке поступает в головку и направляется в кольцевой канал, где ему сообщается вращательное движение. Пылевые частицы осаждаются на внутренней поверхности трубки. С целью удобства сбора пыли в проточный канал вставляется пылесборная трубка - набор цилиндриков из алюминиевой фольги. Не осевшая в канале пыль улавливается фильтром, присоединяемым к штуцеру 13.

Перед отбором пробы исследуют поле скоростей в сечении газохода. Если скорость газа в каждой точке измерения отличается от Усредненной по сечению газохода скорости не более чем на 15 % или пыль тонкая (80-90 % частиц меньше 5 мкм), то пробу можно отбирать из одной точки сечения (обычно по оси газохода).

Других случаях дисперсный состав пыли определяют в каждой точке, а за окончательный результат принимают усредненное значение перед началом анализа пылесборные цилиндры анализатора взвешен на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Затем взвешивают цилиндры соединяют так, чтобы получилась трубка; ее заворачивают в кальку и помещают в канал ротора. После этого наворачивают головку 7 В фильтровальный патрон анализатора помещают фильтр типа АФА-ХА-18 при отборе газа с температурой до 130 °С или набивку из стекловолокна, которая выдерживает температуру 250 °С. Фильтр со стекловолокном доводится до постоянной массы высушиванием при температуре 250 °С. Набивку уплотняют гак, чтобы гидравлическое сопротивление фильтровального патрона при расходе 1 за 20 л/мин достигало 6-9 кПа. Патрон с фильтром взвешивают с точностью до 0,0001 г и помещают в фильтрующее устройство анализ затора, имеющее обогрев для предотвращения возможной конденсации влаги.

По формулам (1.10), (1.11) рассчитывают показания шкалы расходомера, исходя из условия, что расход газа через прибор во время анализа должен быть 20 л/мин. Отбор пробы пыли из газохода или воздуховода производят в следующей последовательности: определяют при помощи микроманометра и пневмометрической трубки скорость газа в точке измерения по сечению газохода; подбирают наконечник с диаметром заборного отверстия, удовлетворяющим при заданном расходе газа через прибор условию изокинетичности (диаметр наконечника рассчитывают по формуле (1.15) или находят по номограмме (см. рис. 1.28)) навинчивают на заборную трубку анализатора наконечник, а трубку - на головку прибора, устанавливают прибор в газоход так, чтобы временно (до включения двигателя ротора и побудителя тяги) устье наконечника было направлено по потоку газа; включают электрообогрев фильтра и прогревают фильтр в течение 15 мин; включают двигатель ротора; наблюдая за показанием микроамперметра, регулируют скорость вращения 524 рад/с (частота 5000 об/мин) и поддерживают ее постоянной; соединяют резиновой трубкой штуцер патрона фильтра через расходомер с побудителем тяги и, регулируя зажим на резиновой трубке, устанавливают заданный расход газа; поворачивают прибор так, чтобы устье наконечника было направлено навстречу газовому потоку, и отмечают момент начала опыта по часам (минуты и секунды) или пускают в ход секундомер; поддерживают расход газа через прибор в течение отбора пробы постоянным.

По окончании опыта анализатор разворачивают так, чтобы устье наконечника было направлено по ходу газового потока, и, не выключая ротора и побудителя тяги, извлекают анализатор из газохода. После укладывания анализатора на горизонтальную плоскость последовательна включают побудитель тяги и электропитание; отвинчивают головку на газатора пинцетом вынимают пылесборную трубку. Во избежание ссыпания пыли с первого цилиндра его помещают на лист тонкой фольги размером 40X60 мм.

Трубку с осажденной на ней пылью и фильтрующий патрон помешают в специальный пенал. В таких пеналах пылесборные трубки с пылью транспортируются в лабораторию, где трубку разделяют на отдельные цилиндрики; патрон и цилиндрики взвешивают с точностью до 0 0001 г. Результаты взвешиваний заносят в протокол (табл. 1.10) и по полученным данным строят кривую накопления массы осадка по длине канала ротора: по оси ординат откладывают суммарную массу осадка пыли в процентах, а по оси абсцисс - длину канала от начала его кромки в сантиметрах.

На рис. 1.47 приведен калибровочный график ротационного анализатора для следующих условий опыта: расход воздуха 20 л/мин; скорость вращения ротора 524 рад/с; плотность материала частиц р т = 1 г/см 3; температура воздуха 20 °С и его динамическая вязкость ȵ = 1,82 ×10 -5 Па-с.

Каскадные импакторы. Принцип действия каскадных импакторов основан на инерционной сепарации частиц по размерам при просасыванни газопылевой пробы через ряд последовательно установленных сопел.

Таблица 1.10. Протокол анализа золы ротационным анализатором.

Рис. 1.47. Калибровочный график анализатора пыли РАД-1

При проходе потока через широкое сопло с малой скоростью на подложке осаждаются крупные частицы, а при проходе его через узкое сопло с большой скоростью на следующей подложке осаждаются более мелкие частицы. Поэтому диаметры сопел подбираются так, чтобы размеры частиц, которые могут осесть в данном каскаде, были меньше размеров частиц, способных осесть в предыдущем.

Для того чтобы частицы, столкнувшись с подложкой, не покидали ее поверхности в результате упругого отскока и сдувания, на поверхность осаждения наносят специальную липкую смазку или формируют эту поверхность из волокнистого материала. На рис. 1.49 приведено устройство каскадного импактора конструкции НИИОгаза. Прибор позволяет определять дисперсный состав пылей в интервале размеров 1-12 мкм (при плотности частиц 1 г/см 3) с указанием относительного массового содержания фракций за пределами этого интервала при запыленности пылегазового потока и температуре до 250 °С.

Конструктивно прибор состоит из отдельных дисков 3, разделенных тефлоновыми прокладками 6, заключенных в едином корпусе 2 и закрепленных накидной гайкой 18 и тремя нажимными винтами 19. В каждом диске имеется сопло 4 с выемкой 5, заполняемой специальной подложкой (двухфазной смазкой) или высокотемпературным фильтровальным материалом; при этом сопло принадлежит последующей ступени, а выемка предшествующей. Число дисков, из которых собран импактор, отвечает числу ступеней в приборе. Сопла одних ступеней располагаются в центре диска, сопла других - по его периферии. Диски с центральным и периферийным расположением сопел чередуются с таким расчетом, чтобы материал подложки в выемке располагался напротив сопла. Сопла первой ступени выполнены в виде концентрически расположенных щелей в диске, сопла остальных ступеней - в виде отверстий. Для удобства работы на боковых поверхностях дисков нанесена маркировка порядкового номера.

На выходе последней ступени устанавливается фильтровальная кассета 7, заполненная стекловолокном 8 или другим фильтровальным материалом. К торцевой втулке 20 присоединяется газоотсосная трубка 17, удерживаемая втулкой 13 с помощью стопорного винта 16. Втулка крепится к фланцу 11 с помощью трех крепежных винтов 12. Фланец наворачивают на приваренный к стенке газохода 9 штуцер 10. К газоотсосной трубке крепится рукоятка 14, которая вместе со втулкой 15 свободно перемещается вдоль газоотсосной трубки. Входной патрубок 1 снабжен сменным наконечником 21.

Рис. 1.48. Схема каскадного импактера.

1 - большое сопло; 2 - подложка; 3 - малое сопло.

Рис. 1.49. Каскадный импактор конструкции НИИОгаза:

1 - входной патрубок; 2 - корпус; 3 - диски; 4 - сопло, 5 - выемка 6 - тефлоновые прокладки; 7, 8 - кассеты с фильтром; 9 - стейка газохода; 10 - штуцер; 11 - фланец; 12 - крепежные винты; 13 - втулка; 14 - рукоятка;15 - втулка; 16 - стопорный винт; 17 - газоотсосная трубка; 18 - накидная тайка; 19 - нажимные винты; 20 - торцевая втулка; 21 - сменный наконечник.

Смазка, обеспечивающая удержание частиц на поверхностях осаждения, состоит из твердой и жидкой фаз. Твердая фаза придает смазке густоту, необходимую для того, чтобы она не разбрызгивалась под действием газовой струи, скорость которой на выходе из последнего сопла достигает 100 м/с. Жидкая фаза обеспечивает смачивание оседающих на поверхности частиц в результате ее диффузии из слоя смазки в нарастающий слой пыли. В приборе конструкции НИИОгаза рекомендуется следующий состав смазки (в массовых долях).

Смазка готова к употреблению через 3 - 4 ч после приготовления. Проверка качества смазки осуществляется путем продувки через каскадный импактор чистого воздуха. Если на выходе последней ступени прибора смазка не разбрызгивается при расходе 15- 20 л/мин, то она готова.

Сборка прибора производится после взвешивания ступеней и фильтра. Для этой цели диски собирают в порядке, указанном маркировкой. Собранная стопка дисков вместе с фильтром вставляется в вертикальном положении в гнездо торцевой втулки 20 (см рис. 1.49), присоединенной к от сосной трубке 17, на которую предварительно надевается накидная гайка 18. Удерживая одной рукой стопку дисков вместе с отсосной трубкой, сверху надеваю цилиндрический корпус 2, следя за тем, чтобы наконечник 21 входного патрубка 1 вошел в верхнее отверстие корпуса. После этого на корпус 2, наворачивают до упора накидную гайку 18 и обеспечивают герметичность прибора путем поджатия с помощью трех нажимных винтов и тефлоновых прокладок 6, вставленных в гнезда дисков. На газоотсосную трубку прибора в сборе надевают втулку 13 и рукоятку 14, которую закрепляют в положении, параллельном корпусу прибора. По окончании сборки прибор проверяют на герметичность.

Разборку прибора производят в порядке, обратном сборке: сначала отворачивают нажимные винты, отвертывают накидную гайку и, удерживая прибор за отсосную трубку, снимают корпус; при этом диски вместе с фильтром и входной трубкой удерживаются в вертикальном положении во втулке газоотсосной трубки. Затем от стопки дисков отделяют входную трубку и снимают друг за другом диски начиная с верхнего. При этом надо следить за тем, чтобы не повредить осадок на поверхности подложек. Нажимные винты 19 должны быть вывернуты настолько, что бы их торцы располагались с внутренней плоской поверхиостью накидной гайки 18.

Для проведения анализа пыли с помощью каскадного импактора необходимо выполнить ряд последовательных операций.

Подготовительные работы. К стенке газохода приваривают заранее изготовленный штуцер. Каскадный импактор разбирают с целью взвешивания каждого из дисков вместе с материалом подложки.

Рис. 1.50. Установка для отбора проб с помощью каскадного импактора:

1, 4 - регулировочные зажимы; 2 -термометры; 3 - расходомер; 5 - воздуходувка; 6 - двигатель; 7 - манометр; 8 - патрубок с крышкой; 9 - струйный сепаратор; 10 - стенка газохода

Перед отбором пробы рассчитывают диаметр сменного наконечника, показания расхода по шкале реометра и время отбора пробы.
Проведение отбора пробы. Перед началом просасывания газа заборный носик прибора направляют навстречу газовому потоку. Для этой цели освобождают крепежные винты штуцера, поворачивают трубку с помощью рукоятки на 180°, устанавливают в требуемой точке газохода и вновь закрепляют винты. После этого включают воздуходувку 5 (см. рис. 1.49), открывают зажим 1 и поджатием байпасной трубки зажимом 4 устанавливают требуемый расход. Последний измеряется с помощью расходомера 3; перепад давления на приборе фиксируется манометром 7.

По истечении расчетного времени отбора пробы полностью открывают зажим 4, закрывают зажим 1 и выключают воздуходувку. Для извлечения прибора из газохода отворачивают крепежные винты 12, втулки 13 и, придерживая прибор с помощью рукоятки 14, осторожно извлекают его из газохода, следя за тем, чтобы он находился в вертикальном положении носиком вверх. Это положение прибора рекомендуется сохранять в течение всего времени транспортировки и при разборке прибора во избежание переброса пыли с одной ступени на другую. Сразу же после извлечения прибора из газохода отверстие штуцера закрывают глухой пробкой. Шланг с газоотсосной трубки допускается снимать после извлечения прибора из газохода.

При анализе дисперсного состава пыли в условиях, отличающихся от стандартных, т. е. при других температурах и расходах газа, соответствующее значение d 50 может быть найдено по номограмме, приведенной на рис. 1.51. В этих случаях для определения d 50 каждой ступени следует значение d 50ст, отнесенное к стандартным условиям, умножить на коэффициент α = d 50 /d 50ст.

Рис. 1.51. Номограмма для определения границы разделения d 50 различных ступеней каскадного импактора.

В соответствии с этим кривую дисперсного состава строят в вил кривой «остатков» в координатах §(d) - lgd, где §(d) - содержание частиц с диаметром более d. Для каждой из k точек (k - число ступеней) расчет ведут по формуле
(1.29)
где n - номер ступени, а mn - масса осадка на n-ной ступени.

Таблица 1.11 Результаты измерений дисперсного состава пыли

При построении кривой "остатков" значения §n(d) откладывают как координаты точек с абсциссами, отвечающими границам разделения в вероятностно-логарифмической -сетке координат, в которой по оси абсцисс нанесены значения диаметра частиц в логарифмическом масштабе, а по оси ординат - содержание частиц диаметром более d в вероятностном масштабе.

Кривую дисперсного состава (рис. 1.52) строят по точкам, для которых ординатами служат упомянутые значения массовых долей частиц i(d), а абсциссами - значения границ разделения d 50 соответствующих ступеней, указанные в последнем столбце табл. 1.11. Найденные точки соединяют кривой, которая, как правило, может быть достаточно точно аппроксимирована прямой. При соблюдении условий измерения погрешность составляет не более 15 %.
Сведения о дисперсном составе промышленных пылей, которые можно использовать при проектировании новых и модернизации существующих аппаратов и системы пылеплавания.

Рис. 1.52. Кривая дисперсного состава пыли.

Величина удельного электрического сопротивления слоя пыли (УЭС) на электродах электрофильтра - один из важных факторов, влияющих на эффективность его работы.
Существует критическое значение УЭС пыли, при котором степень очистки газов в электрофильтре резко снижается из-за нарушения режима его работы.

Величина УЭС пыли зависит от толщины слоя, дисперсного состава пыли, влажности, температуры и химического состава среды и других факторов. Поэтому представительные значения можно получить при измерении УЭС слоя непосредственно на осадительном электроде электрофильтра или слоя, сформированного при существующих параметрах пылегазового потока непосредственно в газоходе. Из существующих методов этим условиям отвечают два прибора, разработанные в НИИОгазе.

Аппаратурное оформление установки для измерения удельного электрического сопротивления пыли показано на рис. 1.53. Крепление "Циклонома-1" к фланцу, при помощи которого прибор устанавливают в газоходе, осуществляют тремя полыми шпильками. Через две из них соединительные провода выводят из газохода, а в третью можно устанавливать термометр или термопару для контроля температуры газовой среды в непосредственной близости к датчику.

Пылегазовый поток поступает в циклон 4 (рис. 1.53, а) через наконечник заборной трубки 2. Пыль, уловленная в циклоне, ссыпается в датчик 3. Газы из циклона отсасываются через фильтр 5 воздуходувкой 7. Ко вторичному прибору (термометру 8) измерительная система подключается проводом с кремнийорганической термостойкой изоляцией марки ПТЛ - 250. Для предотвращения загрязнения измерительных проводов пылью и механического повреждения при обтекании прибора пылегазовым потоком предусмотрен защитный металлический кожух 9.

Конструкция прибора позволяет формировать в измерительной части датчика слой пыли способом, исключающим деформацию слоя при измерении УЭС методом наложения измерительного электрода на слод пыли; измерять удельное сопротивление пыли, сформированной непосредственно в газоходе, в широком диапазоне температур и в химически агрессивных средах: контролировать температуру пылегазового потока и слоя пыли в зоне расположения датчика; отсчитывать по вторичному прибору непосредственно величину УЭС при соответствующем подборе геометрии измерительных электродов.

Порядок работы с прибором: прибор вводится в газоход и прогревается в течение 10 - 15 мин. После прогрева проверяется уровень измерительной системы, который при температуре 200 °С колеблется. Прибор подключается к вакуумной линии, и устанавливается расход газа в пределах 15-25 л/мин. При этом достигаются оптимальные эффективность и гидравлическое сопротивление циклона. Время заполнения измерительной системы пылью определяется опытным путем. При испытаниях прибора в промышленных условиях установлено, что при расходе газа около 20 л/мин и з¬пыленности пылегазового потока 5-10 г/м 3 время, необходимое для заполнения бункеров, составляет 15-20 мин.

По окончании отбора пробы измерительные провода подсоединяются ко вторичному прибору и измеряется электрическое сопротивление слоя пыли между электродами датчика. Для этой цели используют принцип работы которого заключается в том, что измеряемое сопротивление подсоединяется к известному калиброванному сопротивлению, образуя делитель, питаемый от стабилизированного источника напряжения.

Рис. 1.53 Аппаратурное оформление установки для измерения УЭС пыли пробором "Циклоном-1"

а - аппаратурное оформление установки; б - измерительная система прибора; 1 - газоход; 2 - заборная трубка; 3 - датчик; 4 - циклон; 5 - фильтр; 6 - реометр; 7 - воздуходувка; 8 - вторичный прибор (тераомметр); 9 - корпус; 10 - циклон; 11 - втулка (фторопласт-4); 12 - измерительные электроды; 13 - изолятор; 14 - накидная гайка; 15 - защитная пробка со штырем; 16 - измерительные провода.

В общем случае сопротивление слоя пыли

где р - удельное электрическое сопротивление, Ом×м; h - высота слоя пыли, м; S - площади измерительного электрода, м 2.

Путем выбора геометрических размеров электродов S, r 1 r 2 это выражение может быть приведено к виду

где r 1 и r 2 - радиусы внутреннего и внешнего измерительных электродов датчика, м; К - коэффициент, учитывающий размеры S, r 1 r 2 .

При К = 1 р = R, т. е. показание тераомметра соответствует значению удельного электрического сопротивления пыли.

Прибор ПСП-1 позволяет измерять сопротивление слоя пыли, сформированного в зазоре между измерительными электродами в поле коронного разряда (рис. 1.54).
Отбор пробы золы или пыли для измерения удельного электрического сопротивления осуществляется путем изокинетического отбора газа в измерительную камеру 1, помещенную в газоход, и осаждения частиц в электрическом поле коронного разряда на измерительные электроды 2. Изокинетичность отбора газа соблюдается при равенстве нулю разности статических напоров внутри канала заборной трубки 18.

Рис. 1.54. Прибор для измерения удельного электрического сопротивления ИСП-1.

а - конструкция прибора; б - схема электрических соединений; в - схема измерительного устройства прибора; 1- измерительная камера; 2 - измерительные электроды; 3 - измерительные клеммы; 4 - изоляторы; 5 - рама коронирующего электрода; 6 - коронирующий электрод; 7 - клемма коронирующего электрода; 8 - экран; 9 - шиберная заслонка; 10 - отводной патрубок; 11 - эжектор; 12 - стенка газохода; 13 - заборная трубка; 14 - тяга шиберной заслонки; 15 - фланец; 16 - импульсная трубка; 17 - вентиль; 18 - манометр; ИВН - источник высокого напряжения; К - камера устройства; МКА - микроамперметр; Ш - шунтирующий тумблер.

Измерение разности статических напоров производится микроманометром.

Отсос газа через измерительную камеру осуществляется эжектором 11, подключенным к линии сжатого воздуха. Давление воздуха перед эжектором, измеряемое манометром 18, должно быть не менее 200 кПа Скорость отбора газа из газохода, соответствующая нулевому показанию микроманометра, устанавливается с помощью воздушного вентиля 17 эжектора (грубо) и шибера 9 на выходе из камеры (точно) и поддерживается в течение всего времени напыления. Для обеспечения заполнения зазоров пылью и повторяемости результатов измерений толщина слоя пыли на измерительных электродах должна составить 1-3 мм. Время, необходимое для формирования слоя пыли требуемой толщины, устанавливается предварительным опытом.

Измерительную камеру и эжектор соединяют с линией сжатого воздуха и отводящим патрубком камеры. Двумя резиновыми шлангами соединяют согласно маркировке штуцера микроманометра и соответствующие импульсные трубки 16 измерительной камеры. В течение 30 мин дают прогреться измерительной камере с установленными в ней измерительными электродами.

Шиберы 9 на входе в камеру и на выходе из нее устанавливают в положение "Открыто". На эжектор подают сжатый воздух и устанавливают нужную скорость отбора газа. С помощью высоковольтного кабеля источник высокого напряжения подключают к измерительным клеммам 3, а к клемме коронирующего электрода 7 - схему измерения тока коронного разряда. Измерительные клеммы для предохранения от случайного прикосновения накрывают экраном 8. Источник высокого напряжения и схема измерения должны быть надежно соединены с заземляющим проводом. После этого включают источник и устанавливают напряжение, соответствующее току коронного разряда 10-20 мкА (в промежутках времени между измерениями тока короны измерительный прибор должен быть зашунтирован тумблером Ш).

По истечении времени напыления измерительных электродов вентиль закрывают, шиберы 9 устанавливают в положение "Закрыто"; выключают источник высокого напряжения, убирают экран, снимают остаточный заряд путем прикосновения заземляющего провода к измерительным клеммам и отключают высоковольтный кабель. Экранированными проводами подключают измерительные клеммы к тераомметру; на время измерения клеммы закрывают экраном, после чего измеряют сопротивление слоя частиц пыли
(сдельное электрическое сопротивление пробы золы или пыли) вычисляют по формуле

R - сопротивление слоя частиц, замеренное между клеммами измерительных электродов, Ом; S - площадь измерительных электродов, мг; b - зазор между измерительными электродами, м. Площадь измерительных электродов и зазор между ними выбраны так, что отношение S/b=0,05, в результате чего расчетная формула приобретает вид

Для определения удельного электрического сопротивления пыли проводят десять опытов. Затем вычисляют среднее арифметическое значение

и среднеквадратическое отклонение величин р i от их среднего значения:

р i - результаты измерений; n - число опытов.

При необходимости определения УЭС пылевых слоев в лабораторных условиях можно использовать прибор "Циклоном-1". В этом случае пробой исследуемой пыли заполняется датчик измерительной системы прибора. Значения удельного электрического сопротивления промышленных пылей приведены в гл. 8.

Пыль характеризуется совокупностью свойств, определяющих поведение ее в воздухе, превращения ее в организме, действие на организм. Из различных свойств промышленной пыли наибольшее значение имеют химический состав, растворимость, дисперсность, взрывоопасность, форма, электрозаряженность, радиоактивность.

Химический состав пыли. В зависимости от состава пыль может оказывать на организм фиборгенное, раздражающее, токсическое, аллергенное действие. Первостепенное значение для развития пылевых заболеваний легких имеет минералогический состав пыли, особенно содержание в пыли диоксида кремния.

Фиброгенные свойства кремния зависят от структуры кристаллической решетки: наиболее агрессивными являются получаемые в результате нагрева, конденсации и перекристаллизации двуокиси кремния - тридимит, кристобалит. Меньшей, но достаточно высокой фиброгенностью обладает кристаллический кремнезем. Аморфный диоксид кремния с разрушенной кристаллической решеткой менее фиброгенен.

Химическая активность зависит от общей площади поверхности пылинок. Обожженные продукты - керамзит, вермикулит, перлит и др. благодаря увеличенной общей поверхности обладают более выраженным фиброгенным действием на легочную ткань, чем сырые, идущие на их изготовление. Иногда незначительная примесь какого-либо химического агрессивного соединения изменяет направленность и силу действия пыли. Например, наличие шестивалентного хрома в цементах до 0,001% усиливает аллергенные свойства пыли.

Растворимость пыли, зависящая от ее химического состава, имеет определенное гигиеническое значение. Некоторые пыли, например сахарная, быстро растворяясь в организме, не оказывают на него вредного действия. Нерастворимая, в частности, волокнистая пыль надолго задерживается в воздухоносных путях, нередко приводя к развитию патологического состояния. Хорошая растворимость токсических пылей способствует быстрому развитию явлений отравления.

Вредное действие пыли зависит от степени отклонения ее рН реакции от рН слизистой оболочки дыхательных путей, которая колеблется от 6,8 до 7,4. Изменения реакции в ту или другую сторону оказывает неблагоприятное действие на работу мерцательного эпителия, затрудняя процессы элиминации.

Дисперсность пыли. Как система, состоящая из частиц, взвешенных в газе, аэрозоли характеризуются степенью дисперсности, т. е. размером частиц дисперсной фазы. Дисперсность производственной пыли имеет большое гигиеническое значение, так как от размера пылевых частиц, их удельного веса и формы зависит длительность пребывания пыли в воздухе и характер воздействия на органы дыхания.

В зависимости от дисперсности различают видимую, пыль размером более 10 мкм, микроскопическую - размером от 0,25 до 10 мкм, ультрамикроскопическую - менее 0,25 мкм.

Дисперсность аэрозолей определяет скорость оседания частиц во внешней среде. Мельчайшие частицы размером 0,01 - 0,1 мкм могут находиться в воздухе длительное время в состоянии броуновского движения. Более крупные оседают из воздуха со скоростью, обусловленной их размером и удельным весом. Скорость оседания крупных частиц определяется законом Ньютона (с ускорением силы тяжести.), мелких - от 0,1 до 100 мкм законом Стокса (с ускорением свободного падения).

В производственных условиях вследствие конвекционных токов, работы машин, вентиляционных установок воздух находится в подвижном состоянии, что мешает выпадению мельчайших частиц.

Размеры аэрозолей дезинтеграции зависят от твердости исходного вещества. Чем тверже вещество, подлежащее дезинтеграции, тем выше степень дисперсности и больше частиц в единице объема аэрозолей. Аэрозоли дезинтеграции малого диаметра и пылинки волокнистой формы быстрее укрупняются при наличии в воздухе водяных аэрозолей.

Аэрозоли конденсации образующиеся при металлургических процессах, при выплавке ферросплавов, конверторном переделе чугуна, выплавке стали легче подвергаются флоккуляции и оседанию конгломератов, чем аэрозоли дезинтеграции. Почти все частицы пыли окиси магния состоят из конгломератов, в то время как частицы кварцевой пыли даже мельчайших размеров конгломератов почти не образуют. Увлажнение воздуха путем распыления влаги способствует флоккуляции. В закрытых помещениях со временем происходит полное выпадение частиц.

Производственная пыль, как правило, полидисперсная, т. е. в воздухе встречаются одновременно пылевые частицы различных размеров. В любом образце пыли обычно число мелких пылевых частиц больше, чем крупных. В большинстве случаев до 60 - 80% частиц пыли имеют диаметр до 2 мкм, 10 - 20% - от 2 до 5 мкм и до 10% - свыше 10 мкм. Однако общий вес пылевых частиц от 2 мкм весьма незначителен и, как правило, не превышает 1 - 3% веса всего образца пыли. От степени дисперсности зависит общий процент задержки пылевых частиц в органах дыхания, а также уровень, на котором они оседают в дыхательных путях.

В легкие при дыхании проникает пыль, размером от 0,2 до 5 мкм. Более крупные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях.

По мере уменьшения размеров частиц возрастает степень задержки их в глубоких отделах легких. Выведение пыли также зависит от размеров частиц. Крупные частицы удаляются из организма под влиянием мерцательных движений ресничек и слизи.

Дисперсность частиц имеет значение не только для элиминации пыли из легких. От величины частиц зависит, степень фиброгенного действия пыли. С повышением дисперсности степень биологической агрессивности пыли увеличивается до определенного проделала, а затем уменьшается. Наибольшей фиброгенной активностью обладают аэрозоли дезинтеграции с размером пылинок от 1 – 2 до 5 мкм и аэрозоли конденсации с частицами менее 0,3 – 0,4 мкм. В этиологии пылевых бронхитов наименее активны пылевые частицы свыше 5 мкм. Уменьшение фиброгенности аэрозоля конденсации двуокиси кремния с размером частиц 0,05 мкм и менее объясняется тем, что скорость выведения его из легких опережает темпы проявления цитотоксичности.

Исследованиями Е. В. Хухриной показано, что степень фиброгенной опасности пыли зависит от ее массы, поступившей в организм, и от дисперсности. При неодинаковой массе пыли и различной дисперсности наиболее опасна пыль с преобладанием пылевых частиц размером 1 – 2 мкм.

По-видимому, большая площадь соприкосновения мелких пылевых частиц с тканью легкого и большие их количества обусловливают более выраженную ответную реакцию организма.

С повышением дисперсности пыли увеличивается поверхность частиц (отношение поверхности частиц к их массе), повышается ее химическая активность и сорбционная способность. Пылевые частицы сорбируют своей поверхностью газы, пары, радиоактивные вещества, ионы, свободные радикалы и др. Так, пыль доменного газа сорбирует оксид углерода, угольная пыль – молекулы газов СО 2 , СО, метана. Вдыxaниe с пылью токсических веществ усиливает вредное действие пыли. Действие пыли на организм усиливается благодаря адсорбции на ней свободных радикалов, обладающих способностью к цепным реакциям и весьма высокой химической активностью. Свободные радикалы образуются при процессах горения, под действием радиоактивных излучений и в результате фотохимического действия света. Пылинки сорбируют из воздуха ионы, что уменьшает отрицательную ионизацию воздуха.

Важным свойством некоторых пылей является их воспламеняемость и взрывоопасность. Пылевые частицы, сорбируя кислород воздуха, становятся легко воспламеняющимися при наличии источников огня. Известны взрывы каменноугольной, пробковой, сахарной, мучной пыли. Способностью взрываться и воспламеняться при наличии открытого огня обладают также крахмальная, сажевая, алюминиевая, цинковая и некоторые другие виды пылей. Для того чтобы произошел взрыв и воспламенение, требуется образование пылевого облака достаточной концентрации и наличие открытого источника огня. Образование пылевого облака может происходить постепенно в результате накопления пыли в воздухе из источника образования пыли и поднятия осевшей пыли. В связи с этим на объектах, где возможно образование взрывоопасной и воспламеняющейся пыли, необходимо следить за своевременным удалением ее с оборудования, ограждений, пола, перекрытий и т. д. Для различных пылей взрывоопасная концентрация вещества неодинакова. Для пыли крахмальной, алюминиевой и серной минимальной взрывоопасной концентрацией является 7 г/м 3 воздуха, для сахарной - 10,3 г/м 3 .

Значительные концентрации пыли снижают видимость вследствие поглощения светового потока плотными частицами и рассеяния света.

Форма пылинок влияет на поведение в воздухе, при этом частицы неправильной формы (аэрозоли дезинтеграции) способны более длительное время сохраняться в воздухе.

Аэрозоли конденсации металлов со значительным удельным весом, имеющие форму, близкую к шару или кубу, легко оседают из воздуха, если размер их (по диаметру или стороне) превышает 5 – 10 мкм. Частицы круглой формы не только быстрее оседают, но и легче проникают в легочную ткань. От размеров формы частиц зависит реакция организма, например возникновение литейной лихорадки в производстве цинка. Частицы пыли угля продолговатой формы дольше удерживаются в воздухе, даже если размер их равен 20 мкм. Пылевые частицы слюды, имеющие пластинчатую форму, и пыль стеклянного волокна, имеющая игольчатую форму, могут длительно витать в воздухе, даже если размер их равен 50 мкм и более. Нитевидные частицы асбеста, хлопка, пеньки и др. практически не оседают из воздуха, даже если длина их превышает сотни и тысячи микрон. Пыль хлопка, льна, асбеста, слюды, угля раздражает слизистые оболочки верхних дыхательных путей; волокнистые пыли плохо фагоцитируются. Игольчатая пыль стекловолокна раздражает кожу, вызывает зуд. Форма и консистенция теряют свое значение при высокой дисперсности пыли. Примеры форм частиц пыли различного происхождения показаны на рис. 12.

Промышленная пыль представляет собой аэродисперсную систему (аэрозоль), в которой дисперсионной средой является воздух, а дисперсной фазой - твердые пылевые частицы. Пыль образуется при многочисленных производственных процессах в разных отраслях народного хозяйства - в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте.

Существенное влияние на устойчивость частиц в воздухе оказывает плотность пыли. Чем выше плотность вещества при одной и той же дисперсности, тем быстрее оно оседает из воздуха. Например, пыль вольфрамово-кобальтовых сплавов размером 5 мкм оседает в 5-6 раз быстрее, чем частицы кварца, и в 14 раз - чем пыль угля таких же размеров. С учетом плотности обычно рассчитывается пребывание пыли в воздухе («скорость витания» пыли) определенной дисперсности: в гигиенической практике для установления характеристики пыли и для изучения влияния на организм пыли полидисперсной или избранной дисперсности; в санитарной технике для определения эффективности фильтрующих свойств разных материалов; в теплотехнике - для характеристики пылевидного топлива и т. д.

Растворимость пыли . В зависимости от химического состава и физических свойств растворимые пыли в отличие от нерастворимых уже в начале своего поступления в организм проявляют либо агрессивное действие, либо выводятся из организма, не вызывая повреждений. Увеличение растворимости токсических аэрозолей свинца, кадмия, меди сопровождается усилением их действия; пыли бериллия, никеля, урсола вызывает специфические проявления и аллергию . Наоборот, чем легче растворяются нетоксические пыли, тем быстрее они выводятся из организма и менее вредны, например сахарная пыль.

На устойчивость аэрозоля и его взаимодействие с организмом оказывает влияние и форма пылевых частиц. Частицы сферической формы быстрее выпадают из воздуха, легче проникают в органы дыхания и лучше фагоцитируются. В то время как частицы неправильной, плоской, палочковидной, спиральной формы более длительно удерживаются в воздухе и труднее проникают в глубокие отделы легких.

Твердость пыли не имеет существенного гигиенического значения. Например, пыль твердых веществ - алмаза и эльбора существенно менее вредна, чем их модификации - графиты (черный и белый), особенно кварц, имеющие меньшую твердость.

Кроме перечисленных физических свойств, патогенность производственной пыли зависит от электронной структуры, химического состава, дозы и времени воздействия.
В развитии пневмокониозов наибольшую опасность представляют нерастворимые промышленные аэрозоли двуокиси кремния, силикатов (соли кремниевой кислоты), пыль некоторых металлов и сплавов, смешанные минерально-металлические и другие пыли. Перечисленные пыли при вдыхании способны длительно задерживаться в глубоких отделах дыхательного тракта и вызывать поражение дыхательных путей и легких. Характер изменений в легких при пневмокониозах зависит также и от сочетания пылевого фактора с другими производственными вредностями. Примесь токсических веществ (фтор, свинец, марганец, никель, пары кислот, окислы азота, сероводород), тяжелая физическая работа, переохлаждение усиливают опасность возникновения пневмокониоза и отягощают его течение. При гигиенической оценке пылевого фактора учитывается вся взвешенная в воздухе пыль (в мг на 1 м3), включая мелкие и крупные фракции, поскольку в органах дыхания задерживается не только мелкая, но и крупная пыль.

Для характеристики степени запыленности принято использовать максимально разовые концентрации пыли по массе, отражающие наиболее высокие концентрации в особо неблагоприятный период технологического процесса или операции. Такой подход к нормированию пыли обусловливает некоторый дополнительный «запас надежности» при проектировании санитарно-технических устройств и упрощает проведение текущего санитарного надзора на промышленных предприятиях. Вместе с тем при расчете пылевых нагрузок (т. е. дозы, поступившей в организм пыли за определенное время) необходимо ориентироваться не только на максимально разовые концентрации, но и на среднесменные. Учет пылевой нагрузки позволяет прогнозировать интенсивность развития пылевой патологии. Наличие «пиковых» высоких концентраций при той же пылевой нагрузке придает развивающемуся патологическому процессу более выраженный характер и приводит к сокращению сроков развития пневмокониоза.

В последние годы признано, что агрессивность пыли обусловливается не только химическим составом, но и структурным строением вещества или пространственным расположением в кристаллической решетке атомов и взаимодействием электронов.

Действие аэрозолей зависит от наличия на поверхности твердых кристаллов разного количества нелокализованных электронов, которые могут образовывать химически активные функциональные группы или центры, представляющие собой гамму поверхностных окислов, способных вступить в обменные процессы с тканями организма. Разное действие фиброгенной пыли особенно четко можно проследить у аллотропных веществ. Так, при одном и том же химическом составе веществ, но при различных физических свойствах (расположение атомов в кристаллической решетке, плотность, твердость, термостойкость, электросопротивление и другие) действие пыли на организм может быть разным. Например, воздействие пыли кварца вызывает резкий фиброз, а его модификация - стишовит, т. е. кремнезем, подвергнутый сверхвысокому давлению и температуре, отличается низкой фиброгенностью. Другой пример, пыли графитов - углерода и нитрида бора вызывают более выраженные фиброзные изменения в органах дыхания, чем их модификации, соответственно алмаз и эльбор и т. д. Эти положения важно учитывать в практике нормирования аэрозолей и клинике профессиональных заболеваний .

На основании изучения фиброгенных свойств различных видов пыли можно выделить три класса опасности и определить соответствующие предельно допустимые концентрации (ПДК) пыли.

Первый класс - высокофиброгенные пыли, их ПДК 1-2 мг/м3. К ним относятся «чистая» двуокись кремния и аэрозоли, содержащие свыше 10% свободной двуокиси кремния или более 10% асбеста. При воздействии аэрозолей первого класса опасности развивается резко выраженный прогрессирующий пневмокониоз узелкового типа (пыль кремнезема) или выраженный диффузный и сетчатый пневмосклероз с поражением плевры (пыль асбеста).

Второй класс - средне- или умеренно фиброгенные пыли, с ПДК 4-6 мг/м3 - включает в себя аэрозоли, содержащие от 2 до 10% свободной двуокиси кремния, кремнемедистый сплав, тальк, стекловолокно, глину, апатит, цемент, электрокорунды, карбиды кремния и бора, барит, дуниты, форстерит и др. Аэрозоли второго класса опасности вызывают медленное развитие пневмокониоза с умеренным диффузным пневмосклерозом , с образованием клеточно-пылевых очажков и небольшим развитием коллагеновых волокон или клеточно-пылевых узелков - гранулем.

Третий класс - слабо фиброгенные пыли, с ПДК 8-10 мг/м3. К ним относятся каменный уголь, асбестобакелит (волокнит), асбесторезина, магнезит, алмазы природные и синтетические, двуокись титана, тантал и его окислы, эльбор и др.

При воздействии этих пылей формируется незначительный диффузный пневмосклероз, преимущественно вокруг бронхов и сосудов с образованием клеточно-пылевых очажков и воспалительным процессом в бронхах.

Предложенная групповая классификация различных фиброгенных пылей принципиально отличается от зарубежных. Зарубежные классификации пылей при установлении ПДК учитывают только содержание в пыли кварца без патогенного воздействия других составных частей пыли. В основе отечественной классификации учитывается не только содержание в пыли кремнезема, но и других составных компонентов пыли, отличающихся от кварца химическими, физическими и фиброгенными свойствами, что важно учитывать при обосновании профилактических противопылевых мероприятий и периодических медицинских осмотров рабочих.

Агрессивное воздействие пыли на организм зависит от ее концентрации, химического состава, дисперсности, физико-химических свойств.

Химический состав пыли. По составу пыль может оказать на организм фиброгенное, раздражающее, токсическое, аллергическое воздействия. Пыль некоторых веществ и материалов, таких как стекловолокно, слюда, оказывают раздражающее воздействие на верхние дыхательные пути, слизистую оболочку глаз, кожу.

Пыли токсичных веществ (свинца, хрома, бериллия и др.), попадают через легкие в организм человека и оказывают токсическое действие в зависимости от их физико-химических и химических свойств. Фиброгенное воздействие - это такое воздествие пыли, когда в легких разрастается соединительная ткань и нарушает нормальное строение и функции легких.

Очень высокую фиброгенную активность имеет диоксид кремния (кремнезем). Растворимость пыли , которая зависит от ее химического состава, имеет как положительное, так и отрицательное гигиеническое значение. Если пыль не токсична, к примеру, сахарная, то хорошая растворимость такой пыли - весьма хороший фактор, способствующий быстрому удалению ее из легких. Если пыль токсична (пыли никеля, бериллия) хорошая растворимость отрицательный фактор, так как в данном случае токсичные вещества попадают в кровь и приводят к развитию у человека явлений отравления. Нерастворимая пыль, к примеру, волокнистая пыль долго задерживается в слизистой оболочке дыхательных путей, что часто приводит к патологическому состоянию.

Дисперсность -- это степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом имеется в виду распределение частиц пыли по размерам. Она является показателем размерности частиц пыли, а также и массы или количества частиц соответствующего размера.

Дисперсность в наибольшем количестве случаев определяет свойства пыли. После того как производят измельчение, изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые. Это вызывается тем, что при диспергировании вещества в несколько крат увеличивается суммарная поверхность вещества.

При резком увеличении суммарной поверхности вещества увеличивается поверхностная энергия, которая влечет за собой повышение физической и химической активности. Реакции окисления таких веществ протекают очень быстро и интенсивно. Например, при измельчении вещества растворяются во много раз быстрее, чем исходный материал.

Взвешенная газообразная среда имеет в составе влагу, пары кислот, щелочей и в результате их поглощения, частицы имеют свойства, отличимые от исходного материала.

Дисперсный состав характеризует пыль с различных сторон. Кроме физических и химических свойств, дисперсный состав определяет в значительной мере характер и условия распространения пыли в воздушной среде. Мелкодисперсная пыль осаждается значительно медленнее, а особо мелкодисперсная пыль практически вовсе не осаждается. Таким образом, рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной мере определяется дисперсным составом пыли. Важнейший вопрос пылеулавливания -- выбор пылеулавливающего оборудования -- решается главным образом на основании дисперсного состава пыли.

Частицы, составляющие аэрозоль, тем вредней, чем больше дисперсность пыли. Так как при этом увеличивается суммарная поверхность раздробленного вещества, и оно активнее вступает в химические реакции, у него становится больше объемных электрических зарядов. Наибольшей агрессивной активностью обладают частицы пыли размером 0,2 - 5 мкм. Это объясняется тем, что частицы больших размеров попадают в легкие в небольшом количестве и задерживаются в альвеолах, основное же количество частиц таких размеров задерживается слизистыми верхних дыхательных путей и выводится при чихании и кашле. Частицы же размером менее 0,2 мкм легко транспортируются из альвеол в лимфатические узлы и, не задерживаясь в них, выводятся из организма.

От дисперсности пыли зависит и оседание ее частиц. Крупные частицы оседают быстрее. На частицы размером 0,1 - 1 мкм оказывают влияние воздушные тепловые потоки и броуновское движение, и они гораздо дольше находятся во взвешенном состоянии.

При движении частиц в воздухе происходит их столкновение, при этом отдельные частицы высокодисперсной пыли соединяются (коагулируют) в более крупные частицы. Чем выше степень дисперсности аэрозоля и больше частиц в единице объема, тем быстрее идет коагуляция с последующим осаждением.

Электрозаряженность пыли - это наличие на частицах дисперсной фазы электрических зарядов, которые облегчают осаждение пыли в легких. Установлено, что больший повреждающих эффект наблюдается при вдыхании частиц с отрицательным зарядом (развитие фиброза).

Пылевые частицы получают электрический заряд как в процессе образования, так и после образования, находясь во взвешенном состоянии, в результате взрыва, диспергирования, взаимного трения, трения о воздух, а также вследствие адсорбции ионов при ионизации среды. Последний способ электризации является основным для взвешенных частиц.

Электрическое состояние аэрозольной системы не остается постоянным во времени. В результате взаимодействия друг с другом и с окружающей средой взвешенные частицы получают заряд, отдают его, нейтрализуются.

Электрические свойства пыли оказывают определенное воздействие на устойчивость аэрозоля, а также на характер воздействия пылевых частиц на живой организм. Известно также, что импульсом в процессе взрывообразования может быть заряд статического электричества. Для отведения статического электричества предусматривается заземление оборудования, трубопроводов.

По данным некоторых гигиенистов, пылевые частицы, имеющие электрический заряд, в два раза интенсивнее задерживаются в дыхательных путях, чем нейтральные.

Обычно неметаллические частицы заряжаются положительно, а металлические -- отрицательно. Соли NaCl, СаС1% заряжаются положительно, а СоСО3; AZ20.3; Fe2O3; MgCO3 -- отрицательно.

Взвешенные частицы ряда аэрозолей несут электрические заряды следующего знака:

Частицы, имеющие одноименные заряды, при взаимодействии отталкиваются, разноименные -- притягиваются.

Взаимодействие двух тел, размерами которых можно пренебречь, описывается законом Кулона (рассматривается в разд. 3). При высокой концентрации частиц во взвешивающей среде кулоновские силы способствуют процессам коагуляции.

Слипаемость - это способность частиц пыли образовывать малоподвижные конгломераты, приводящие к накоплению отложений на внутренних поверхностях газоходов, бункеров и пылеспускных каналов.Устойчивая работа пылеулавливающего оборудования во многом зависит от слипаемости пыли, так как повышенная слипаемость частиц может привести к частичному или полному забиванию аппаратов.

Установлено, что чем меньше размер частиц, тем легче они прилипают к поверхности аппарата. Пыли, у которых 60-70 % частиц имеют диаметр меньше 10 мкм, ведут себя как слипающиеся.

Слипаемость пыли в большей мере зависит от ее аутогезионной и адгезионной способности, особенно в отсутствии связывающих жидкостей. Микроскопические частицы в газовой среде слипаются между собой (аутогезия ) и прилипают к поверхности более крупных частиц, либо к стенкам аппарата (адгезия ) под действием межмолекулярных капиллярных сил, кулоновского взаимодействия разноименно заряженных частиц.

Способность слипаться у пылей оценивают по величине разрывной прочности. Количественно она равна силе, отнесенной к площади контакта, необходимой для разрыва слоя. По величине разрывной прочности слоя пылевидные материалы разделяют на четыре группы.

Гигроскопичностью пыли называется способность пыли поглощать влагу из окружающей среды до равновесия с влагосодержанием этой газовой среды.

Поглощенная пылью влага оказывает влияние на такие свойства пыли, как электрическая проводимость, слипаемость, сыпучесть и др. Содержание влаги в пыли выражается величиной влагосодержания или влажности.

Влажность (%) - отношение количества влаги в пыли ко всему количеству влажной пыли.

Существуют несколько методов определения гигроскопической влаги. Наиболее распространен метод высушивания пробы до постоянной массы при температуре 105 ± 2 °С. Однако этот метод не подходит для веществ с температурой разложения или плавления ниже 110 °С.

Под смачиванием понимают способность капли жидкости растекаться по поверхности твердого тела (частицы пыли). По способности к смачиванию твердые вещества делятся на хорошо смачиваемые - гидрофильные - и плохо смачиваемые - гидрофобные .

Абразивность ? это способность частиц пыли вызывать истирание стенок конструкций и аппаратов, с которыми соприкасается пылегазовый поток. Она зависит от твердости и плотности вещества, из которого образовалась пыль, размера частиц, их формы, скорости потока.

При значительной абразивности пыли воздуховоды, газоходы, стенки пылеулавливающих аппаратов выходят из строя за весьма короткий срок.

Абразивность пыли нужно учитывать при выборе материала и толщины стенок каналов, по которым перемещается пылегазовый потоки аппаратов для очистки этих потоков, а также при необходимости ограничивать скорость движения потоков. В ряде случаев применяют специальные облицовочные защитные материалы.

Считают, что износ металлических элементов вследствие абразивности пыли возрастает по мере увеличения размера частиц вплоть до 80 мкм, а затем, по мере дальнейшего увеличения размера, абразивные свойства уменьшаются.

Способность образовывать с воздухом взрывоопасную смесь и способность к воспламенению являются важнейшими отрицательными свойствами многих видов пыли, поскольку именно эти свойства способны вызывать (провоцировать) на предприятиях несчастные случаи с людьми, разрушение и повреждение оборудования, строительных конструкций и т.д.

В наибольшей степени различие физико-химических свойств пыли и твердых веществ, из которых она образована, проявляется в ее пожаро- и взрывоопасности. Такие вещества, как зерно и сахар хотя и способны сгорать при определенных условиях, не являются взрывоопасными веществами. Будучи же приведенными в пылевидное состояние, они становятся не только пожаро-, но и взрывоопасными.

Пыль, находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе помещений, взрывоопасна . Осевшая пыль (гель) пожароопасна . При этом взрывоопасные свойства являются значительно более опасными, нежели пожароопасные. При взрыве реакция протекает значительно быстрее, распространяясь со скоростью сотни и тысячи метров в секунду, при горении - со скоростью несколько десятков метров в секунду. Процесс горения пыли, находящейся во взвешенном состоянии, протекает гораздо интенсивнее, чем горение осевшей пыли (аэрогель).

Локальный взрыв пыли может перевести во взвешенное состояние осевшую пыль, в результате чего фронт взрыва расширится. При первом или последующем взрыве происходит встряхивание здания и расположенного в нем оборудования. Пыль, покрывающая тонким слоем их поверхности, переходит во взвешенное состояние, образуя взрывоопасную смесь, которая вновь становится питательной средой для следующего взрыва.

Последующий более мощный взрыв способен разрушить ёмкости, где хранятся пылевидные материалы. Это уже будет средой для мощного взрыва, способного разрушить здание.

Взрыв - одна из разновидностей реакции горения. Ее характерным отличием является исключительно быстрое, практически мгновенное протекание реакции в объеме. Возбуждение взрыва пыли возможно при сочетании определенных условий, необходимых для взрыва. Если отсутствует хотя бы одно из этих условий, взрыв не произойдет, несмотря на наличие остальных. Такими условиями являются:

• - концентрация пыли в воздухе между нижним и верхним пределами;
• - наличие источника возбуждения взрыва достаточной температуры и мощности в запыленной зоне;
• - питание кислородом, достаточное для обеспечения процесса горения.

Нижний концентрационный предел распространения пламени по пылевоздушным смесям (НКПРП ), г/м3, - минимальное содержание пыли в воздухе, достаточное для возникновения взрыва (при наличии других условий).

НКПРП соответствует определенному среднему значению расстояния между пылевыми частицами, при котором происходит достаточно интенсивный теплообмен между частицами. При этом накапливается необходимая для взрыва тепловая энергия. Если концентрация пыли в воздухе незначительна, расстояния между частицами пыли велики и теплообмен становится ограниченным.

Верхний концентрационный предел распространения пламени пылевоздушных смесей (ВКПРП ), г/м3 - максимальное содержание пыли в воздухе, при котором взрывообразование прекращается, несмотря на наличие прочих необходимых условий.

При концентрациях больше ВКПРП кислорода становится недостаточно для реакции, и процесс прекращается.

Между НКПРП и ВКПРП находится концентрация пыли в воздухе, которая является наиболее взрывоопасной. Ей соответствует наибольшее значение взрывного давления. Такое значение, естественно, имеется для каждого вида пыли.

НКПРП зависит от химического состава, дисперсности пыли и скорости газа в помещении. Высокодисперсный материал имеет большую поверхность контакта с окислителем (кислородом воздуха). У материала с развитой поверхностью большая электрическая ёмкость, следовательно, значительная способность получать заряды статического электричества вследствие трения частиц, что увеличивает пожарную опасность вещества.

На НКПРП пыли влияет также наличие в ее составе минеральных добавок, не участвующих во взрывообразовании. Являясь инертным компонентом, минеральная составляющая сдерживает взрывообразование в результате экранирования и поглощения теплоты.

При движении воздуха со скоростью 5 м/с нижний предел повышается в 2 - 3 раза.Уменьшить взрыво- и пожароопасность пыли можно путем ее увлажнения - мокрой уборки помещений.

Взрыво- и пожароопасные пыли делят на четыре класса. Критерием является значение НКПРП и температуры самовоспламенения.

• § I класс - наиболее взрывоопасные пыли с НКПРП до 15 г/м3;
• § II класс - взрывоопасные пыли с НКПРП 16 - 65 г/м3;
• § III класс - наиболее пожароопасные пыли с температурой самовоспламенения в куче, в токе воздуха до 250 °С;
• § IV класс - пожароопасные пыли, обладающие температурой самовоспламенения при тех же условиях выше 250 °С.

Температура самовоспламенения - самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения.

Форма пылинок влияет на устойчивость аэрозоля в воздухе и поведение в организме. Форма пылевых частиц, образующихся в производственных условиях, может быть различной: сферической, плоской, волокнистой, оскольчатой, игольчатой и др.

При образовании аэрозолей конденсации пылинки большей частью имеют округлую форму, а в составе аэрозолей дезинтеграции - неправильную многоугольную, плоскую форму. Частицы сферической формы быстрее выпадают из воздуха, но и легче проникают в легочную ткань. Пылевые частицы, имеющие пластинчатую и игольчатую форму, могут длительно витать в воздухе, даже если размер их равен 50 мкм и более. Нитевидные частицы практически не оседают из воздуха, даже если длина их превышает сотни и тысячи микрон. Пылинки, имеющие острые края, попадая на слизистые оболочки верхних дыхательных путей, глаз и кожу, могут оказывать травмирующее и раздражающее действие.