炭黑含量测定方法研究

一空气环境中炭黑含量测定方法研究

1.1前言

在炭黑厂废气污染物中炭黑粉尘是主要的污染物之一，由于炭黑粉尘是疏松质轻且粒径极小的黑色粉末，在空气环境中令人讨厌，在黑炭厂周围的企业及居民反映强烈。然而在大气环境现状监测中，测定总悬浮微粒常常是不超标。即使在感觉比较严重的情况下，监测所得到的结果也只有1mg/NM3（每标准立方米）左右，浓度水平在国家大气环境质量二级标准中任何一次浓度值附近波动。这就给我们提出了以下的问题。 1．炭黑粉尘是否属于总悬浮微粒的范畴。 2．炭黑粉尘与空气中总悬浮微粒的比例关系。 对于第一个问题，水利电力部苏州热工研究所在苏州炭黑厂环境影响评价报告书中，已有结论性的意见。即炭黑中飘尘分量仅占2 0 ~ 3 0 %。炭黑粒径主要分布在总悬浮微粒区。为了准确地监测炭黑粉尘对大气环境的影响、了解炭黑粉尘与空气中总悬浮微粒的比例关系、我们以武汉炭黑厂为例、做了炭黑粉尘与空气中总悬浮微粒的比重实验与炭黑在总悬浮微粒中的含量实验。从而提出空气环境中炭黑含量的测定方法。 1.2实验部分

1.2.1实验方法选择

由于总悬浮微粒滤膜采样量少，且不容易处理。因此，考虑选用空气环境中自然降尘作为实验方法。降尘是指从空气中自然降落于地面的颗粒物，其粒径多在 10um以上，而且炭黑的付聚体粒径在10-70um左右，符合总悬浮微粒的0.1-100um的粒径范畴。因此选用自然降尘作实验是可行的。

2.实验样品采集：(以武汉炭黑厂环境评价为实例) 根据常年主导风向的下风向和工厂周围的居民反映：在以炭黑厂为中心2平方公里的范围内布设采样点4个。同时在省环保所实验大楼布设实验点。按照《环境空气监测质量保证手册》中环境空气中自然沉降物的采样方法进行采集。时间周期为每月测定1次。在7，8，9，10月测定，共进行4次。

样品采集：采用集尘罐定点定时采样，每次采集前均向集尘罐内加入500ml蒸馏水，同时准确加入一定量的CuSO4溶液，防止集尘罐中微生物和藻类生长。 3.实验样品测定

（1）自然沉降量的测定：将瓷蒸发皿洗净，编号。在 105℃烘箱中烘3小时，取出放在干燥器内，冷却50分钟后，在分析天平上称重，再在105℃烘50分钟，冷却5 0分钟，再称重，直至恒重（两次重量之差小于0.4 m g ）。将已采集的样品，用镊子将落入缸内的异物取出，将缸内的溶液和尘粒全部转入1000ml 烧杯中，在电热板上小心蒸发，使体积浓缩至 10ml左右时，转入瓷坩埚中，在电热水浴上小心蒸干后，于105℃烘箱中烘干至恒重。 计算公式：降尘量

𝑡 𝑘𝑚2∙月 =

𝑊1−𝑊𝑎−𝑊𝑐

×30×104

𝑆∙𝑛式中：W1为降尘和瓷钳锅重量（g）； Wa为瓷钳锅重量（g）；

Wc为CuSO4经蒸发并烘干后的重量（g）； S为集尘罐口面积（cm3）； n为采样天数。

（2）自然沉降量中炭黑含量的测定：

将已测定自然沉降量完毕的蒸发皿在马福炉内以825℃士25 ℃的条件下，灼烧1小时后，待炉内温度降至30℃以下时取出放入干燥器中，冷却50分钟，称重。再在825℃士2 5 ℃灼烧1小时，冷却称量，直到恒重。在马福炉中烧掉的为炭黑含量。由于在825℃除炭黑本身被燃烧掉外，可能在集尘罐内其它的一些可燃性物质也会被烧掉，而误计成为炭黑。为此，我们在环境较好，离炭黑厂约10公里的省环保所大楼布设实验点，以确定被燃烧可燃物的含量。

计算公式：炭黑含量

𝑊2−𝑊𝑏−𝑊𝑑

×30×104

𝑆∙𝑛式中：W2为降尘和坩锅在825℃燃烧前的重量( g )。（恒重）

Wb为降尘中非炭黑可燃物的重量( g )。此数据为省环保所实验点提供。 Wd为降尘和坩埚在825℃燃烧后的重量（g），（恒重）。

（3）自然降尘和炭黑比重的测定：将采样所得的降尘样品，混匀粉碎后过200目筛，经过一定体积的容器中，称重，得到单位体积中自然降尘的重量。将炭黑厂炭黑产品过200目筛后，装入同一体积的容器中，称重，得到单位体积中炭黑的重量。 1.3结果与讨论

1.3.1自然沉降量中非炭黑可燃成分的估算： 为了准确的测定自然沉降中炭黑的含量，必须知道自然沉降中与测定炭黑同等条件下非炭黑可燃物的含量。为此，我们在省环保所实验大楼设定了实验监测点，用测定自然降尘的同等方法，测定自然降尘中非炭黑可燃物的含量。同时假设省环保所实验大楼所采的样品不含炭黑或可忽略不计，测定结果见表1所示。从表一中结果看：自然沉降量中除炭黑外，还存在一些非炭黑的可燃物，其中平均量为2.22 𝑡 𝑘𝑚2∙月 ，占降尘量的24.5%。由此可得，在测定炭黑含量时，应该扣除这一部分。

表1 自然降尘中非炭黑可燃物量的测量结果单位 𝑡 𝑘𝑚2∙月 𝑡 𝑘𝑚2∙月 =

采样时间及天数 蒸发皿重量（g） 蒸发皿+降尘重量（g） 99.8208 99.8407 99.8090 99.8184 CuSO4残留物重量（g） 0.1051 0.1051 0.1051 0.1051 825℃烧后重量（g） 99.7970 99.8010 99.7805 99.7871 降尘量（g） 可燃物可燃物量（g） 量占降尘中的含量 2.19 23.4 2.57 1.97 2.16 26.4 23.9 24.4 1991.7.（30） 1991.8.（31） 1991.9.（29） 1991.19.99.5852 99.5850 99.5850 99.5854 9.33 9.75 8.23 8.85 （29） 1.3.2炭黑燃烧实验： 炭黑是可燃性物质，根据炭黑灰分测定的国标方法，炭黑在825℃灼烧1小时后可全部燃烧。实验用两种样品，其中一组为纯炭黑，另一组在降尘样品中加入一定量的纯炭黑。然后，同时放入马福炉中，在825℃条件下灼烧一小时。实验结果见表二。从表二结果看，无论是纯炭黑在马福炉中825℃条件下灼烧，还是将纯炭黑和自然降尘混合在一起在马福炉中灼烧，炭黑均能全部被烧掉，而自然降尘中除25%左右可燃物被烧掉外，其他的不会被燃烧掉。由此，可以认为采用灼烧的方法来测定自然降尘中炭黑含量是可行的。

表2 炭黑燃烧实验结果表

样号 1 2 3 4 1.3.3炭黑与自然降尘的比重测定：

按照前述的方法，分别测定了炭黑的比重和自然降尘的比重，结果见表3所示。从表 3中测定结果看，炭黑的比重比降尘的比重要小一倍左右。由此可见，炭黑与自然降尘的颗粒虽然大致相同。但是，由于在比重上的差异，使他们在环境评价标准的使用中，不能混为一体。

表3 炭黑与自然降尘的比重测定

编号 1*炭黑 2*降尘

容器的体积（cm3）

炭黑或降尘的重量（g）

比重（g/cm3）

蒸发皿重量（g） 蒸发皿+降尘重量（g） 67.3587 67.6301 67.3587 71.2718 50.4538 67.5466 -- -- 加入纯炭黑量（g） 73.0991 68.7293 75.5519 60.3094 825℃下灼烧后重量（g） 67.5893 67.5113 71.2850 50.4238 32.7 32.7

11.8885 25.3695

0.36 0.78

1.3.4评价区域空气环境的自然降尘中炭黑含量的测定实例结果：根据前述的测定方法，自然降尘中炭黑含量的测定结果见表4所示。从表4中结果看，自然降尘中，炭黑的含量是

25-36%，平均值为32.2%。

表4 自然降尘中炭黑含量测定结果表 地点 位置说明 武汉炭黑厂 武汉汽车标准件厂 炭黑厂关山宿舍 华中理工大学 厂内生产中心 距下风向1公里 23.4 8.44 36.1 距下风向2公里 12.6 4.00 31.7 空白对照点 降尘平均值[吨/公里∙月] 炭黑平均值[吨/公里∙月] 炭黑所占比例（%） 2229.8 10.7 35.9 9.69 2.42 25.0 1.4总结 （1）本文从炭黑粉尘在自然降尘中的含量和炭黑粉尘与自然降尘的比重两个方面研究了炭黑在空气环境中的性质。认为直接共用T S P国家大气环境质量标准监测评价炭黑粉尘是否超标是不适合的。

（2）根据炭黑粉尘的自身性质，空气环境中炭黑含量的测定方法，可采集空气环境中自然降尘样品，在 82 5℃士 2 5℃的条件下灼烧 1小时，扣除当地空气环境中自然降尘可燃烧含量。可以准确地测定空气环境中炭黑的含量和占自然降尘中的含量百分比。从而可较为客观地评价炭黑对空气环境的污染水平。