В настоящее время снижение загрязнения атмосферного воздуха в городах дисперсными частицами (ДЧ) размером менее 10 мкм, источником образования которых являются отработавшие газы автотранспортных средств (АТС), износ дорожного покрытия, шин и тормозных механизмов, является актуальной проблемой. В научных исследованиях, [1-4] приведены механизмы образования, химический состав, результаты мониторинга и распространения ДЧ, а также их влияние на здоровье жителей городов. Анализ отечественных и зарубежных источников [1, 2] показывает, что содержание выбросов ДЧ от износа шин и дорожного полотна в реальных условиях эксплуатации АТС на российских дорогах, значительно превышает расчетные значения. При этом, остаются до конца не изученными зависимости массы выбросов и фракционного состава мелких ДЧ от категорий АТС при различных параметрах автотранспортного потока. Кроме этого, отсутствуют стандартизованные расчетные и экспериментальные методики оценки образования и распространения ДЧ при изнашивании дорожного покрытия, шин и тормозных механизмов. Для решения этих проблем нами выявлены и систематизированы основные факторы, влияющие на оценку содержания ДЧ при изнашивании шин, тормозных механизмов при эксплуатации АТС. Анализ проведен с применением достаточно апробированного, в том числе в собственных исследованиях [5], инструмента управления качеством – причинно-следственной диаграммы Исикавы (рисунок 1).
Установлено, что к основным влияющим факторам относятся: методики и средства измерений ДЧ, устройства отбора проб, оператор, а также климатические условия при проведении отбора проб. На достоверность оценки концентраций ДЧ влияет множество факторов, в частности, оценка должна проводиться в таком объеме (количество проб) и с такой периодичностью (временной интервал), чтобы обеспечивалась возможность определения динамических процессов в окружающей среде, вызванных техногенными или природными факторами.
Рисунок 1 – Причинно-следственная диаграмма анализа основных факторов, влияющих на оценку содержания ДЧ при изнашивании шин, тормозных механизмов АТС
На сегодняшний день основным методом контроля загрязнения атмосферного воздуха ДЧ является гравиметрический метод осаждения частиц на специальном фильтре. Это метод заключается в выделении из пылегазового потока ДЧ и определении их массы. Его основное преимущество – возможность измерения массовой концентрации ДЧ и отсутствие влияния их химического и дисперсного состава на результаты измерений. К недостаткам метода следует отнести большую трудоемкость процесса измерения и, как следствие, невозможность непрерывного мониторинга. Поэтому в качестве базового метода измерений для количественной оценки содержания ДЧ в продуктах изнашивания шин, тормозных механизмов АТС и дорожного покрытия нами рекомендован гравиметрический метод, регламентированный РД 52.04.830-2015. При выборе средств измерений ДЧ, в первую очередь, должны учитываться его метрологические характеристики. Главным критерием выбора средств измерений мы считаем необходимость получения фактических значений измеряемых величин с заданной точностью при минимальных временных и материальных затратах. Кроме того, необходимо предварительно проводить оценку эффективности измерений, которая должна учитывать производительность и себестоимость процесса, включая затраты на организацию условий измерений, необходимую квалификацию оператора, цену универсальных средств измерений и стоимость их эксплуатации, а также возможность их многоцелевого использования и др. Для измерения концентраций ДЧ предлагается использование автоматических анализаторов, например, анализатора пыли «АТМАС» (рисунок 2). Его метрологические характеристики приведены в таблице 1.
1 – лицевая панель блока управления; 2 – светодиод, указывающий на разряд аккумуляторной батареи; 3 – кнопка включения; 4 – светодиод индикации работы; 5 – кнопки перемещения курсора и кнопка «ВВОД»; 6 – разъем для подключения сетевого адаптера питания; 7 – жидкокристаллический матричный дисплей; 8 – винт прижима; 9 – порт очистки датчика; 10 – импактор; 11 – разъём USB; 12 – кнопки выбора режимов
Рисунок 2 – Внешний вид анализатора пыли «АТМАС»
Принцип действия блока регистрации анализатора пыли основан на заряде ДЧ в поле коронного разряда, создаваемым высоковольтным электродом, и последующим их осаждением на поверхности датчика пыли, в качестве которого используется кварцевый пъезоэлемент. При осаждении частиц на поверхность датчика происходит изменение частоты его колебаний, которое пропорционально массе осевшей пыли. Согласно требованиям РД 52.04.830-2015 для выполнения отбора проб первоначально определяются климатические параметры (направление, скорость ветра, температура воздуха, атмосферное давление и относительная влажность). При наличии неблагоприятных условий (например, в виде осадков) отбор проб следует проводить при нормальных климатических параметрах: температура воздуха – от 5 до 40 °С, атмосферное давление от 630 до 800 мм рт. ст., относительная влажность воздуха не более 90 %. Причинами появления систематической погрешности могут являться неисправности средств измерений, несовершенство метода измерений, неправильная установка измерительных приборов, отступление от нормальных условий их работы (кратковременные помехи, толчок, нарушение электрического контакта и т.д.), особенности самого оператора. От знаний, практических навыков, квалификации оператора, его психофизиологического состояния, санитарно-гигиенических условий труда зависит качество результатов измерений. К работе с аналитическими измерениями могут быть допущены лица, изучившие конкретные методики определения концентрации ДЧ, которые используются в данном методе отбора проб.
Таблица 1 – Метрологические характеристики анализатора пыли «АТМАС»
|
Показатель |
Значение показателя |
|
Диапазон измерений массовой концентрации пыли, мг/м3 |
от 0,1 до 150 |
|
Предел допускаемой относительной погрешности, % – в поддиапазоне от 0,1 до 20 мг/м3 – в поддиапазоне от 20 до 150 мг/м3 |
±20 % ±25 % |
|
Объемный расход пробы, л/мин |
1,00±0,05 |
|
Диапазон индикации температуры, °С |
от 0 до 50 |
|
Диапазон индикации атмосферного давления, мм рт. ст. |
от 700 до 820 |
|
Диапазон индикации относительной влажности, % |
от 10 до 95 |
С учетом всех основных факторов, влияющих на оценку содержания ДЧ при изнашивании шин, тормозных механизмов при эксплуатации АТС нами предложена измерительная система [5]. Особое внимание, следует уделить конструкции пробоотборного устройства, которая должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать изгибающие моменты под влиянием максимальной скорости потока в трубопроводе, противостоять вибрации, а также создавать минимальное возмущение потока в трубопроводе. Диаметр пробоотборной трубки, должен быть достаточным для прохождения воздуха и ДЧ. Скорость пробоотборного устройства должна быть во время всего процесса отбора проб постоянной.
Таким образом, в ближайшее время необходима разработка методики количественной оценки ДЧ, поступающих в окружающую среду при эксплуатации АТС. Методика должна быть предназначена для определения состава и концентраций ДЧ, поступающих в окружающую среду при истирании протекторов шин, накладок тормозных колодок и дорожного покрытия. Методика измерений должна предусматривать оценку влияния условий эксплуатации и климатогеографических особенностей региона. Следует подчеркнуть, что предложенная нами измерительная система позволит уточнить содержание ДЧ, поступающих в окружающую среду при эксплуатации автомобильного транспорта на урбанизированной территории. При этом важен комплексный подход к определению концентраций и состава ДЧ в воздухе городской среды, для чего необходимо обоснование мест и режимов отбора проб, с учетом интенсивности автотранспортного потока, и оценка дисперсного состава ДЧ.