Концентрации загрязняющих веществ в воздухе

Концентрации загрязнителей воздуха , измеренные или рассчитанные с помощью моделирования рассеивания загрязнения воздуха , ^[1] часто необходимо преобразовать или исправить, чтобы они были выражены в соответствии с требованиями постановлений, изданных различными правительственными учреждениями. Нормативы, которые определяют и ограничивают концентрацию загрязняющих веществ в окружающем воздухе или в газообразных выбросах в окружающий воздух, издаются различными национальными и государственными (или провинциальными) агентствами по охране окружающей среды , а также по охране труда и технике безопасности .

Такие правила предполагают ряд различных проявлений концентрации. Некоторые выражают концентрации в ppmv ( частях на миллион по объему), а некоторые выражают концентрации в мг/м. ³ (миллиграммы на кубический метр), в то время как другие требуют корректировки или корректировки концентраций в соответствии с эталонными условиями содержания влаги, кислорода или содержания углекислого газа . В этой статье представлены методы перевода концентраций из ppmv в мг/м. ³ (и наоборот) и для корректировки концентраций до требуемых эталонных условий.

Все концентрации и поправки к концентрациям в этой статье применимы только к воздуху и другим газам. Они не применимы для жидкостей.

Углекислый газ в Земли атмосфере выбросов , составляет половину вызывающих глобальное потепление ^[2]^[3] не усваиваются .
( НАСА Моделирование ; 9 ноября 2015 г.)

Диоксид азота , 2014 г. – глобальный уровень качества воздуха
(выпущено 14 декабря 2015 г.). ^[4]

Преобразование концентраций загрязнителей воздуха

Уравнения конверсии зависят от температуры, при которой требуется конверсия (обычно от 20 до 25 °C). При атмосферном давлении на уровне моря 1 атм (101,325 кПа или 1,01325 бар ) общее уравнение имеет вид:

\mathrm {ppmv} =\mathrm {mg} /\mathrm {m} ^{3}\cdot {\frac {(0.082057338\cdot T)}{M}}

и для обратного преобразования:

\mathrm {mg} /\mathrm {m} ^{3}=\mathrm {ppmv} \cdot {\frac {M}{(0.082057338\cdot T)}}

где:
мг/м ³	= миллиграммы загрязняющих веществ на кубический метр воздуха на уровне моря, атмосферное давление и T
ppmv	= концентрация загрязнителя воздуха, в частях на миллион по объему
Т	= температура окружающей среды в K = 273. + °C
0.082057338	= Универсальная газовая константа в л атм моль ⁻¹ К ⁻¹
М	= молекулярная масса (или молекулярная масса) загрязнителя воздуха

Примечания:

1 атм = абсолютное давление 101,325 кПа или 1,01325 бар.
моль = грамм-моль и кмоль = 1000 грамм-моль
Нормативы по загрязнению окружающей среды в Соединенных Штатах обычно определяют пределы содержания загрязняющих веществ при температуре окружающей среды от 20 до 25 ° C, как отмечалось выше. В большинстве других стран эталонная температура окружающей среды для пределов содержания загрязняющих веществ может составлять 0 ° C или другие значения.
Хотя ppmv и мг/м ³ использовались для примеров во всех следующих разделах, такие концентрации, как ppbv (т. е. части на миллиард по объему), объемный процент, мольный процент и многие другие, также могут использоваться для газообразных загрязнителей.
Твердые частицы (PM) в атмосферном воздухе или в любом другом газе не могут быть выражены в ppmv, ppbv, объемных процентах или мольных процентах. ТЧ чаще всего (но не всегда) выражается в мг/м. ³ воздуха или другого газа при заданной температуре и давлении.
Для газов объемный процент = мольный процент.
1 объемный процент = 10 000 ppmv (т. е. частей на миллион по объему), при этом миллион определяется как 10 ⁶.
Необходимо проявлять осторожность с концентрациями, выраженными в ppbv, чтобы различать британский миллиард, который равен 10 ¹² и миллиард США, который равен 10 ⁹ (также называемый «длинномасштабным» и «короткомасштабным миллиардом» соответственно).

Корректировка концентрации с учетом высоты

Концентрации загрязнителей воздуха, выраженные как масса единицы объема атмосферного воздуха (например, мг/м ³, мкг/м ³и т. д.) на уровне моря будет уменьшаться с увеличением высоты . Уменьшение концентрации прямо пропорционально уменьшению давления с увеличением высоты. Некоторые правительственные регулирующие юрисдикции требуют, чтобы промышленные источники загрязнения воздуха соответствовали стандартам уровня моря с поправкой на высоту. Другими словами, источники промышленного загрязнения воздуха, расположенные на высоте значительно выше уровня моря, должны соответствовать значительно более строгим стандартам качества воздуха, чем источники, расположенные на уровне моря (поскольку более низкие стандарты соблюдать труднее). Например, в Департаменте окружающей среды Нью-Мексико есть постановление с таким требованием. ^[5]^[6]

Изменение атмосферного давления с высотой (<20 км) можно получить из этого уравнения: ^[7]

P_{\mathrm {h} }=P\,\cdot {\bigg (}{\frac {288-6.5h}{288}}{\bigg )}^{5.2558}

Учитывая концентрацию загрязняющих веществ в воздухе при атмосферном давлении на уровне моря, концентрацию на больших высотах можно получить из этого уравнения:

C_{\mathrm {h} }=C\,\cdot {\bigg (}{\frac {288-6.5h}{288}}{\bigg )}^{5.2558}

где:
час	= высота, км
П	= атмосферное давление на уровне моря
П _ч	= атмосферное давление на высоте h
С	= Концентрация загрязняющих веществ в воздухе, масса на единицу объема при атмосферном давлении на уровне моря и заданной температуре T.
Ч _ч	= Концентрация в массе на единицу объема на высоте h и заданной температуре T.

В качестве примера приведем концентрацию загрязняющих веществ в воздухе 260 мг/м. ³ на уровне моря рассчитайте эквивалентную концентрацию загрязняющих веществ на высоте 2800 метров:

C _h = 260 × [{ 288 - (6,5) (2,8) } / 288] ^5.2558 = 260 × 0,71 = 185 мг/м ³

Примечание:

Приведенное выше уравнение для уменьшения концентрации загрязнения воздуха с увеличением высоты применимо только примерно для первых 10 км высоты в тропосфере (самый нижний слой атмосферы) и, по оценкам, имеет максимальную ошибку около 3 процентов. Однако высоты 10 км достаточно для большинства целей, связанных с концентрациями загрязнителей воздуха.

Корректировка концентраций для эталонных условий

Многие агентства по охране окружающей среды издали правила, которые ограничивают концентрацию загрязняющих веществ в газообразных выбросах и определяют исходные условия, применимые к этим предельным концентрациям. Например, такое регулирование могло бы ограничить концентрацию Содержание NO _x сухого сгорания до 55 ppmv в выхлопных газах (при заданной эталонной температуре и давлении) с поправкой на 3 объемных процента O ₂ в сухом газе. Другой пример: нормативное регулирование может ограничить концентрацию общего количества твердых частиц до 200 мг/м. ³ выбрасываемого газа (при заданной эталонной температуре и давлении) с поправкой на сухое вещество и дополнительно с поправкой на 12 объемных процентов CO ₂ в сухом газе.

Экологические агентства в США часто используют термины «dscf» или «scfd» для обозначения «стандартного» кубического фута сухого газа. Точно так же они часто используют термины «dscm» или «scmd» для обозначения «стандартного» кубометра газа. Поскольку не существует общепринятого набора «стандартных» температуры и давления, такое использование может сбивать с толку. Настоятельно рекомендуется всегда четко указывать эталонную температуру и давление при указании объемов газа или скоростей потока газа.

Корректируем на сухую основу

Если при анализе пробы газообразных выбросов обнаруживается, что она содержит водяной пар и концентрацию загрязняющего вещества, скажем, 40 ppmv, то 40 ppmv следует обозначить как концентрацию загрязняющего вещества на «влажную основу». Следующее уравнение можно использовать для корректировки измеренной концентрации «на влажной основе» до концентрации « на сухой основе »:

C_{\mathrm {dry\,basis} }={\frac {C_{\mathrm {wet\,basis} }}{1-w}}

где:
С	= Концентрация загрязнителя воздуха в выбрасываемом газе
В	= объемная доля выхлопных газов, представляющая собой водяной пар

Например, концентрация влажного вещества 40 ppmv в газе, содержащем 10 объемных процентов водяного пара, будет иметь:

C _{сухого вещества} = 40 ÷ (1-0,10) = 44,4 ppmv.

Корректировка эталонного содержания кислорода

Следующее уравнение можно использовать для корректировки измеренной концентрации загрязняющего вещества в сухом выбрасываемом газе с измеренным содержанием O ₂ до эквивалентной концентрации загрязняющего вещества в сухом выбрасываемом газе с заданным эталонным количеством O ₂ : ^[8]

C_{\mathrm {r} }=C_{\mathrm {m} }\cdot {\frac {(20.9-\mathrm {reference\,volume\,\%\,O_{2}} )}{(20.9-\mathrm {measured\,volume\,\%\,O_{2}} )}}

где:
С _р	= скорректированная концентрация сухого газа с заданным эталонным объемом % O ₂
См	= измеренная концентрация в сухом газе, имеющем измеренный объем % O ₂

Например, измеренный NO _xКонцентрация _{45 ppmv в сухом газе, содержащем 5 объемных % O 2} , равна:

45 × ( 20,9 - 3 ) ÷ ( 20,9 - 5 ) = 50,7 ppmv НЕТ _х

с поправкой на сухой газ, имеющий заданное эталонное содержание O ₂ 3 об.%.

Примечание:

Измеренную концентрацию газа C _m необходимо сначала скорректировать на сухое вещество, прежде чем использовать приведенное выше уравнение.

Корректировка эталонного содержания углекислого газа

Следующее уравнение можно использовать для корректировки измеренной концентрации загрязняющего вещества в выбрасываемом газе (содержащем измеренное содержание CO ₂ ) до эквивалентной концентрации загрязняющего вещества в выбрасываемом газе, содержащем указанное эталонное количество CO ₂ : ^[8]

C_{\mathrm {r} }=C_{\mathrm {m} }\cdot {\frac {(\mathrm {reference\,volume\,\%\,CO_{2}} )}{(\mathrm {measured\,volume\,\%\,CO_{2}} )}}

где:
С _р	= скорректированная концентрация сухого газа с заданным эталонным объемом % CO ₂
См	= измеренная концентрация сухого газа, имеющего измеренный объем % CO ₂

Например, измеренная концентрация твердых частиц 200 мг/м. ³ в сухом газе, содержащем измеренное содержание CO 2 8 об. _% :

200 × ( 12 ÷ 8 ) = 300 мг/м ³

с поправкой на сухой газ, имеющий заданное эталонное содержание CO ₂ 12 объемных %.

Ссылки

В эту статью включены материалы из статьи Citizendium « Концентрации загрязнителей воздуха », которая лицензируется по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported , но не по GFDL .

^ М.Р. Бейчок (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). Самостоятельная публикация. ISBN 0-9644588-0-2 .
^ Сен-Флер, Николас (10 ноября 2015 г.). «Уровень парниковых газов в атмосфере побил рекорд, говорится в докладе» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 ноября 2015 г.
^ Риттер, Карл (9 ноября 2015 г.). «Великобритания: Во-первых, средняя глобальная температура может быть на 1 градус Цельсия выше» . АП Новости . Проверено 11 ноября 2015 г.
^ Коул, Стив; Грей, Эллен (14 декабря 2015 г.). «Новые спутниковые карты НАСА показывают влияние человека на качество воздуха в мире» . НАСА . Проверено 14 декабря 2015 г.
^ Проект программного заявления о воздействии на окружающую среду (EIS) по управлению и управлению запасами. Архивировано 28 августа 2008 г. в Wayback Machine (см. раздел 03.05 EIS, в котором участвует Национальная лаборатория Лос-Аламоса в Нью-Мексико).
^ Анализ воздействия на качество воздуха . Архивировано 10 мая 2009 г. в Wayback Machine (разработано для Бюро землеустройства США , полевой офис Сокорро, Нью-Мексико).
^ Министерство обороны США MIL-STD-810F , 1 января 2000 г. (См. Приложение A, стр. 520.2A5)
^ Перейти обратно: ^а ^б Дэвид А. Левандовски (1999). Проектирование систем термического окисления летучих органических соединений (1-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 1-56670-410-3 .

[1] М.Р. Бейчок (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). Самостоятельная публикация. ISBN 0-9644588-0-2 .

[NYT-20151110-2] Сен-Флер, Николас (10 ноября 2015 г.). «Уровень парниковых газов в атмосфере побил рекорд, говорится в докладе» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 11 ноября 2015 г.

[AP-20151109-3] Риттер, Карл (9 ноября 2015 г.). «Великобритания: Во-первых, средняя глобальная температура может быть на 1 градус Цельсия выше» . АП Новости . Проверено 11 ноября 2015 г.

[NASA-20151214-4] Коул, Стив; Грей, Эллен (14 декабря 2015 г.). «Новые спутниковые карты НАСА показывают влияние человека на качество воздуха в мире» . НАСА . Проверено 14 декабря 2015 г.

[5] Проект программного заявления о воздействии на окружающую среду (EIS) по управлению и управлению запасами. Архивировано 28 августа 2008 г. в Wayback Machine (см. раздел 03.05 EIS, в котором участвует Национальная лаборатория Лос-Аламоса в Нью-Мексико).

[6] Анализ воздействия на качество воздуха . Архивировано 10 мая 2009 г. в Wayback Machine (разработано для Бюро землеустройства США , полевой офис Сокорро, Нью-Мексико).

[7] Министерство обороны США MIL-STD-810F , 1 января 2000 г. (См. Приложение A, стр. 520.2A5)

[Lewandowski-8] Перейти обратно: ^а ^б Дэвид А. Левандовски (1999). Проектирование систем термического окисления летучих органических соединений (1-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 1-56670-410-3 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]