Моніторинг атмосферного повітря

Моніторинг навколишнього середовища означає спостереження за станом середовища з метою виявлення зміни цього стану, його динаміки, швидкості та напрямку його розвитку. Отримані внаслідок тривалих спостережень та численних аналізів зведені дані дозволяють прогнозувати екологічний стан на багато років наперед і приймати заходи для усунення несприятливих діянь та явищ.

Одним із важливих об’єктів навколишнього середовища є атмосферне повітря. Забруднення повітря негативно впливає на рослини, тварини, людей, будівлі, приладдя та різні матеріали.

Найбільш розповсюдженими і небезпечними були виявлені забруднювачі восьми категорій: 1- завислі речовини, вони можуть переносити інші забруднювачі, розчинені у них або абсорбовані на поверхні частинок; 2- вуглеводні та інші леткі органічні з’єднання; 3-чадний газ (СО); 4- оксиди азоту (NO_x); 5- оксиди сірки, в основному діоксиди (SO₂); 6- свинець і інші важкі метали; 7- озон і інші фотохімічні окислювачі; 8- кислоти, в основному сірчана і азотна.

Контроль за станом атмосферного повітря включає вивчення джерел забруднення, дослідження хімічних і фотохімічних перетворень забруднюючих речовин, виявлення найбільш токсичних речовин, вивчення розповсюдження забруднювачів із повітряними потоками, відбір і аналіз забруднювачів.

При дослідженні атмосферних забруднень визначають максимально разові і середньодобові концентрації. Метод визначення концентрації шкідливих речовин повинен забезпечити їх визначення на рівні 0,8 ГДК із сумарною похибкою ±25% і відбором проби повітря від 20 до 30 хв при визначенні максимальної разової концентрації, а також середньодобової концентрації.

Нагляд за забрудненням атмосфери виконується на стаціонарних, маршрутних і пересувних (підфакельних) постах.

Стаціонарні пости призначені для забезпечення безперервної реєстрації вмісту забруднювальних речовин або регулярного відбору проб повітря для наступного аналізу. Серед стаціонарних окремо виділяють опорні пости, призначені для виявлення довгострокових змін вмісту основних та найбільш поширених забруднювальних речовин.

Маршрутні пости призначені для регулярного відбору проб повітря у певній точці місцевості при спостереженнях, які здійснюються за допомогою пересувного обладнання.

Пересувні (підфакельні) пости призначені для відбору проб під димовим (газовим) факелом з метою виявлення зони впливу даного джерела.

Для оцінки забруднення атмосферного повітря шкідливими речовинами використовують три основні групи методів: лабораторні (аналітичні, хімічні), експресні, автоматичні.

Лабораторні методи відрізняються високою точністю і є незамінними для поглиблених досліджень, але ці методи недостатньо оперативні, оскільки на відбір проб повітря і виконання аналізу витрачається багато часу (до 2 год).

Експресні методи - прості, потребують невеликих затрат часу на відбір проб (до 10 хв), але менш точні, ніж аналітичні.

В автоматичних методах використовуються різні газоаналізатори, які забезпечують швидкість і безперервність, велику точність, але є складними і дорогими.

Одним із найбільш ефективних методів при аналізі складних сумішей, який не потребує великих затрат часу і має високу точність, є метод газової хроматографії. Газова хроматографія являє собою метод поділу летючих компонентів, що ґрунтується на розподілі речовин між двома фазами, одна з яких - нерухома з великою поверхнею, а друга - газ, що протікає крізь нерухому фазу. У газовій хроматографії компоненти, що розділяються, переміщуються по колонці з сорбентом за допомогою інертного газу-носія. Компоненти суміші відповідно до своїх коефіцієнтів розподілення селекційно утримуються нерухомою фазою сорбенту доти, поки у газі-носії не утворяться окремі зони. Ці зони - носії компоненти виводяться газом-носієм з колонки і реєструються детектором у вигляді сигналу, що є функцією часу. Запис результатів хроматографічного аналізу на діаграмній стрічці називається хроматограмою. На осі ординат фіксується сигнал детектора в мікровольтах, а на осі абсцис - час.

Застосування експресних методів дозволяє швидко та безпосередньо на місці відбору проби визначити малі концентрації токсичних речовин у повітрі. Експресні методи - колориметричні, в основі яких лежить кольорова реакція, що відбувається у розчинах на реактивному папері або твердих сорбентах.

Широко застосовується в разі експресного аналізу повітря лінійно-колористичний метод із застосуванням індикаторних трубок.

Метод визначення газових компонентів ґрунтується на використанні кольорових реакцій, що відбуваються в індикаторних трубках між газом, рівень концентрації якого треба визначити, і спеціальним реактивом, нанесеним на твердий носій. За носій реактивів застосовують фарфор, крупнозернистий силікагель марок МСК, ШОК та ін. Довжина зафарбованого прошарку пропорційна концентрації досліджуваної речовини у повітрі, що проходить через індикаторну трубку. Для експресного визначення токсичних речовин застосовують універсальні газоаналізатори УГ-1, УГ-2, УГ-3, ГХ-4, ГХ-М та ін.

Вміст оксиду вуглецю, діоксиду азоту, сірчистого газу, ароматичних сполук та інших пароподібних шкідливих домішок в атмосферному повітрі визначається за допомогою приладів — газоаналізаторів. При лабораторному аналізі застосовують оптичні, фотоколориметричні, кондуктометричні, кулонометричні, хроматографічні та інші газоаналізатори.

Принцип дії оптичних газоаналізаторів базується на вибірковому поглинанні газами променевої енергії в інфрачервоній, ультрафіолетовій або видимій областях спектру.

Широке розповсюдження мають фотоколориметричні газоаналізатори, дія яких базується на поглинанні променевої енергії в видимій області спектру розчинами чи індикаторними стрічками, що змінюють свій колір при взаємодії з відповідними газовими компонентами.

В останні роки отримали розповсюдження газоаналізатори, що використовують емісію випромінювання досліджуваної газової компоненти. Суть цього методу полягає в тому, що молекули досліджуваних газів, наприклад оксиду азоту або з'єднань сірки, приводять в стан оптичного збудження і потім реєструють інтенсивність люмінесценції, що виникає при поверненні їх до стану рівноваги.

В основу принципу дії кондуктометричних газоаналізаторів покладено поглинання досліджуваної компоненти газової суміші відповідним розчином та вимірювання його електропровідності. В кулонометричних газоаналізаторах електрохімічна реакція протікає в комірці між досліджуваним газом та електролітом, в результаті якої у зовнішньому колі з'являється електрорушійна сила, пропорційна концентрації досліджуваної компоненти.

Газоаналізатори, в яких використовується мас-спектральний метод, дозволяють проводити кількісний та якісний аналіз всіх сполук, що містяться у пробі. Цей метод полягає в іонізації газоподібної проби шляхом електронного бомбардування, після чого іони розділяються магнітним полем. В залежності від маси і заряду іона відхилення у магнітному полі відбувається з різною швидкістю і за різними траєкторіями.

Газоаналізатори, принцип дії яких ґрунтується на спектральних методах аналізу (атомна абсорбція, полум’яно-емісійна спектроскопія, лазерні методи та ін.), дозволяють досліджувати якісний та кількісний стан повітря і визначити велику кількість мікродомішок у повітрі.

Ознайомлення студентів з методом газової хроматографії, експресними та автоматичними методами, принципом дії та порядком роботи з приладами, що реалізують ці методи (газовий хроматограф АГАТ-9, газоаналізатор ГХ-М, газоаналізатор 121ФА-01), відбувається при проведенні практичних робіт в умовах екологічної лабораторії кафедри інженерної екології НТУУ «КПІ»[9].