Воздух как объект анализа

Содержащиеся в атмосфере твердые  частицы представляют собой пыль, песок, золу, сажу, вулканическую пыль и аэрозоли органической (высокомолекулярные соединения) и неорганической природы. Часто токсичность твердых частиц обусловлена адсорбцией на их поверхности таких опасных соединении, как ПАУ или нитрозамииы.

Фотооксиданты образуются в атмосфере  при взаимодействии реакционноспособных  углеводородов и оксидов азота  под действием УФ радиации. В конечном итоге образуются высокотоксичные вещества: (пероксиацетилнитрат, пероксибензоилнитрат и др.). Уже при концентрации 0,2 мг/м3 эти соединения обладают резким лакриматорным действием, повреждают растения и разрушают резину. Еще более токсичны пероксибутил- и пероксипропилнитраты. Соединения этой группы нестойкие, особенно при повышенной температуре, и разлагаются с образованием более простых продуктов, например метилнитратов и диоксида углерода. Оксиданты загрязняют воздушный бассейн большинства крупных городов мира, поскольку их образование связано с развитием промышленности и автотранспорта.

Следующая группа загрязнителей - полициклические  ароматические углеводороды (ПАУ) - могут быть как первичными, так  и вторичными загрязнителями атмосферы и обычно адсорбируются на твердых частицах. Многие из ПАУ отличаются выраженным канцерогенным, мутагенным и тератогенным действием и представляют серьезную угрозу для человека. Основным источником эмиссии ПАУ являются ТЭС, работающие на нефти или каменном угле, а также предприятия нефтехимической промышленности и автотранспорта. Из нескольких миллионов известных в настоящее время химических соединений лишь около 6000 были проверены на канцерогенную активность. В настоящее время установлено, что 1500 химических соединений, являющихся потенциальными загрязнителями атмосферы, обладают выраженными канцерогенными свойствами (ПАУ, нитрозамины, и др.). Содержание ПАУ и других канцерогенных веществ, попадающих в атмосферу с выбросами промышленных предприятий, составляет в крупных индустриальных центрах около 80% от общего загрязнении окружающей среды.

Следовые количества химических элементов  представлены в атмосфере такими высокотоксичными загрязнителями, как  мышьяк, бериллий, кадмий, свинец, магний и хром. Они обычно присутствуют в воздухе в виде неорганических солей, адсорбированных на твердых частицах. Около 60 металлов идентифицировано в продуктах сгорания угля. В дымовых газах ТЭС обнаружены ртуть, мышьяк, барий, бериллий, висмут, бром, кадмий, хлор, кобальт, медь, железо, фтор, свинец, марганец, сурьма, молибден, никель, селен, теллур, таллий, олово, титан, уран, ванадий, цинк и цирконий. Для большинства перечисленных элементов их выброс в атмосферу с дымовыми газами ТЭС составляет 3/4 от абсолютного уровня загрязнения воздуха всеми источниками эмиссии этих элементов. При этом максимальное количество загрязнителей попадает в атмосферу при сжигании угля. На долю этого источника приходится более 95% твердых частиц, 85% оксидов серы, 70% оксидов азота и более 90% следов элементов от общего количества выбросов для всех ТЭС, работающих на угле, нефти и газе.

Помимо продуктов сжигания нефти, свинец выделяется в воздух при извержении вулканов, с отработавшими газами автомобилей и в результате различных  производственных процессов. Ежегодно в воздушный бассейн в виде галогенидов попадает около 2-105 т. свинца, а ежегодный прирост содержания ртути в окружающей среде промышленно развитых стран составляет 5%. Металлическая ртуть и свинец, а также их металлорганические соединения очень токсичны. Ртуть поступает в атмосферу при извержении вулканов и с выбросами химической, электронной и приборостроительной промышленности. Особенно токсичны и опасны для человека галогенсодержащие металлорганические соединения ртути, которые образуются из металлической ртути и ее неорганических солей под действием микроорганизмов. При сгорании различного топлива только в атмосферу ФРГ ежегодно попадает 40 т. ртути, которая оседает на поверхности почвы и водоемов.

Скапливаясь в атмосфере, загрязнители взаимодействуют друг с другом, гидролизуются и окисляются под действием влаги и кислорода воздуха, а также изменяют свой состав под воздействием радиации. Вследствие этого продолжительность пребывания токсичных примесей в атмосфере тесно связана с их химическими свойствами. Для диоксида серы этот период составляет 4 дня, сероводорода - два, оксида азота - пять, аммиака-семь дней, а СО и СН4 в силу своей инертности сохраняются неизменными в течение трех лет.

Из пестицидов, которые обычно распыляют с самолетов, особенно токсичны фосфорорганические пестициды, при фотолизе которых в атмосфере образуются продукты еще более токсичные, чем исходные соединения.

Так называемые «абразивные» частицы, к которым относятся диоксид  кремния и асбесты, при респираторном проникновении в организм человека вызывают серьезные заболевания (например, силикозы). Загрязнения последнего класса, из которых наиболее важны сульфаты, нитраты и нитрозамины. являются продуктами реакций первичных загрязнителей атмосферы.

Таблица 1. Концентрации загрязнителей атмосферы

Токсичные примеси. порИсточники эмиссии.Концентрация в городах, мг/м3.Концентрация в сельских районах, мг/м3.Оксид углеродаАвтомобильные  выхлопы5.00.1Диоксид серыСжигание нефти0.20.002Диоксид  азотаТо же0.10.001ОзонАтмосферные фотохимические реакции0.30.01МетанПриродный газ. Процессы гниения.3.01.4ЭтиленАвтомобильные выхлопы.0.050.001АцетиленТо же0.070.001Пероксиацетилнитрат (ПАН)Атмосферное фотоокисление олефинов.0.030.001Олефины (С3 - С8)Автомобильные выхлопы.0.020.001Сумма углеводородов (кроме метана).То же2.00.005АммиакГниение 0.0100.010СероводородТо же0.0040.002АльдегидНеполное сгорание0.050.001

2. Классификация автоматических  методов анализа состава воздуха  и их краткая характеристика

Автоматические методы анализа - наиболее перспективны для непрерывного контроля загрязнения воздушного бассейна. Применяемые при этом приборы обеспечивают быстроту и непрерывность, большую точность и объективность результатов анализов, но являются сложными и дорогими.

В соответствии с требованиями стандартов наблюдения за загрязнением атмосферы по полной программе должны проводиться за содержанием пыли, сернистого газа, оксида углерода, диоксида азота (основные загрязнители) и за рядом специфических веществ, которые свойственны промышленным выбросам данного населенного пункта.

Содержание пыли в атмосферном  воздухе может быть определено прямым или косвенным способом. Прямой способ заключается в отборе пробы запыленного  воздуха и взвешивании осажденных из нее частиц с последующим отнесением их массы к единице объема воздуха. Косвенные методы используют закономерности изменения физических свойств запыленного воздуха в зависимости от концентрации пыли - величины поглощения световых, тепловых и ионизирующих излучений, способности воспринимать электростатический заряд и т. л. Наиболее часто в этом случае применяют гравиметрический (прямой) или радиоизотопные и оптические (косвенные) методы.

Гравиметрический метод  определения взвешенных частиц пыли к атмосферном воздухе регламентирует ГОСТ 17.2.4.05-83. Согласно требованиям стандарта разовую (С30) и среднесуточную (С24) концентрации взвешенных частиц пыли в воздухе (мг/м3) вычисляют по формуле:

С30, С24 =(m1-m2)/V0

Где m1 и m2 - масса фильтра соответственно с пылью и без пыли, мг;

V0 - объем пропущенного воздуха, приведенный к нормальным условиям, м3.

Радиоизотопный метод  измерения концентрации пыли, основан на свойстве радиоактивного излучения поглощаться частицами пыли. Массу пыли в пробе определяют по степени ослабления радиоактивного излучения при прохождении его через запыленный воздух.

Оптические методы используют закономерности изменения физических свойств запыленного воздуха. Так, изменение оптической плотности по степени светопоглощения или рассеивания света называют фотометрическим методом анализа. С его помощью можно определять до 5 10-3 мкг. вещества в пробе. Измерение степени рассеивания света взвешенными частицами, находящимися в растворе, положено в основу нефелометрического метода, чувствительность которого до 4-10 мкг. вещества в пробе. Абсорбционный метод, основанный на явлении поглощения света при прохождении его через пылегазовую среду, позволяет измерять концентрацию взвешенных частиц непосредственно в атмосферном воздухе без предварительного отбора пробы.

Радиоизотопные и оптические методы определения запыленности атмосферного воздуха находят применение в системах автоматизированного наблюдения и контроля окружающей среды (АНКОС).

Содержание оксида углерода, диоксида азота, сернистого газа и других вредных  парообразных примесей в атмосферном воздухе определяется с помощью приборов-газоанализаторов. При лабораторном анализе применяют оптические, фотоколориметрические, кондуктометрические, кулонометрические и хроматографические газоанализаторы.

Принцип действия оптических газоанализаторов основан на избирательном поглощении газами лучистой энергии в инфракрасной, ультрафиолетовой или видимой областях спектра.

Широкое распространение имеют  фотоколориметрические газоанализаторы, действие которых основано на поглощении лучистой энергии в видимой области спектра растворами или индикаторными лентами, изменяющими свою окраску при взаимодействии с определенными газовыми компонентами.

В последние годы получили распространение  газоанализаторы, использующие эмиссию  излучения анализируемой газовой примеси. Сущность этого метода состоит в том, что молекулы исследуемого газа, например, оксидов азота или соединений серы, приводят в состояние оптического возбуждения и затем регистрируют интенсивность люминесценции, возникающей при возвращении их о состояние равновесия.

В основу принципа действия кондуктометрических  газоанализаторов положено поглощение анализируемого компонента газовой  смеси соответствующим раствором  и измерение его электропроводности. В кулонометрических газоанализаторах электрохимическая реакция протекает в ячейке между анализируемым газом и электролитом, в результате которой во внешней цепи появляется электродвижущая сила, пропорциональная концентрации определяемого компонента воздуха.

Для экспрессного определения токсических  веществ применяют универсальные газоанализаторы (УГ-2, ГХ-4 и др.), основанные на линейно-калориметрическом методе. В этом случае при продвижении воздуха через индикаторные трубки, заполненные специальным порошком - поглотителем, происходит изменение его окраски; длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого вещества.

В последние десятилетия как самостоятельный  раздел техники метеорологических  измерений выделилась лазерная локация, позволяющая получить данные о состоянии  запыленности и газового состава приземного слоя атмосферы. Она является перспективным направлением оперативного контроля загрязнения воздушного бассейна крупных городов.

Система наблюдения, контроля, прогнозирования  и управления качественным состоянием атмосферного воздуха получила наименование атмосферного мониторинга (в переводе с английского - наблюдение, проверка, проводимая относительно какого-либо явления естественной или социальной жизни).

Рациональное  сочетание наблюдения, контроля и  прогнозирования загрязнения биосферы - основа эффективного управления качества ОПС и, в частности, воздушного бассейна, что реализуется в системах АНКОС-А.

3. Автоматизированные системы контроля  загрязнения воздушного бассейна

Бурное развитие промышленности, энергетики, транспорта и сельскохозяйственного производства, в особенности во второй половине XX в., увеличило загрязнение атмосферы вредными газами, которое в ряде случаев привело в некоторых странах к катастрофическим последствиям - массовым заболеваниям и гибели люден (например, при лондонских смогах и др.,).

Борьба  с загрязнением воздуха (3В) в промышленных районах, городах и на промышленных площадках заводов, фабрик и ТЭС  представляет сложную научно-техническую  задачу, основой для решения которой  является наличие надежных методов  и средств контроля и прогнозирования качества воздушной среды.

При решении комплекса перечисленных  вопросов пользуются термином «мониторинг  атмосферы», в который включают анализ, контроль (т. е. наблюдение и оценка), прогноз основных параметров состояния  и управление качественным составом атмосферы. В нашей стране данная проблема решается под общим руководством Государственного комитета Украины по гидрометеорологии и контролю природной среды. Наиболее сложным и трудоемким вопросом является создание эффективных средств и методов контроля загрязнения воздушной среды современного промышленного города, содержащей множество веществ, в том числе - вредных, с постоянно меняющейся концентрацией. Так, для воздуха населенных пунктов стандартом установлена ПДК по 120 веществам к 25 их комбинациям.

Все методы и средства анализа состава  атмосферного воздуха можно разделить  на четыре группы:

) аналитические методы лабораторного  анализа воздуха;

) автоматические приборы для определения  концентрации загрязняющих атмосферу  веществ;

) автоматизированные системы контроля  загрязнения окружающей среды  - АСКЗ;

) дистанционная лазерная локация  загрязнения атмосферы. Аналитическому методу предшествует разовый эпизодический (или в установленные заданием определенные отрезки времени) отбор проб воздуха с последующим их анализом и обработкой. Применяются инструментальные, химические и биологические разновидности аналитического метода. Из химических наиболее широко используются микрокалориметры, позволяющие с необходимой для практики точностью производить экспресс-анализ концентраций паров и пылей металлов, формальдегидов, оксидов азота и углерода, аммиака, сероводорода, фтора и других соединений. Инструментальные методы (спектрофотомерия, ультразвуковой и др.) - сложные и в промышленных условиях практически не применяются, а биологические, хотя и обладают высокой чувствительностью, но в основном дают лишь качественную оценку определяемого вещества.