Справочно-информационный материал Химические и бактериальные загрязнения воздушной среды

В процессе дыхания человек потребляет около 10 м³ воздуха сутки. Организм человека в процессе эволюции привык к определенному химическому составу воздушной среды, и даже небольшие примеси химических веществ в атмосфере могут оказывать неблагоприятное влияние на организм.

Атмосферный воздух представляет смесь газов определенного и постоянного состава. Основными компонентами воздуха являются: кислород – 20,93%, азот – 78,6%, диоксид углерода – 0,03-0,04%, инертные газы и водяные пары ~ 1 %.

Качество воздушной среды помещений по химическому составу зависит от химического состава атмосферного воздуха. Внутренние помещения зданий имеют постоянный воздухообмен с внешней средой. Атмосферные загрязнения поступают в помещения за счёт естественной и искусственной вентиляции. Степень проникновения зависит от химического состава веществ. Концентрации диоксида серы, озона, аэрозоля свинца обычно ниже внутри здания, чем снаружи. На одном уровне или ниже находятся концентрации оксида и диоксида азота, оксида углерода, пыли. В воздухе помещений выше, чем в атмосферном воздухе содержание ацетона, бензола, толуола, фенола, этилбензола и т.д. Воздух помещений имеет и внутренние источники загрязнения: продукты деструкции полимерных материалов, антропотоксины (аммиак, оксид и диоксид углерода, уксусная кислота, индол, скатол и т.д.), продукты сгорания бытового газа и домашней деятельности человека.

В современных условиях человек проводит в жилых и общественных помещениях в зависимости от образа жизни от 52% до 85% суточного времени. Воздушная среда помещений даже при относительно невысоких концентрациях токсических веществ становится небезразлична для здоровья человека, влияет на его работоспособность.

Показатели загрязнения воздуха в помещениях с пребыванием людей:

1. Физические

2. Химические

3. Бактериологические

Физические показатели – температура воздуха, относительная влаж­ность; химические – диоксид углерода; бактериологические – содержание в 1 м³ воздуха золотистого стафилококка, общее микробное число. Увели­чение содержания диоксида углерода идет параллельно с накоплением аммиака, сероводорода, меркаптана, индола, скатола и др., обнаружение которых в воздухе представляет значительные трудности. Поэтому индикатором чистоты воздуха помещений, где находятся люди, а также эффективности воздухообмена со времен Ф.Ф.Эрисмана является диоксид углерода. Считается что воздух достаточно чистый, если концентрация СО₂ в воздухе помещений не более 0,1% или 1 л в 1 м³ воздуха.

Определение диоксида углерода в воздухе помещений проводится по методу Виноградова.

Принцип метода заключается в нейтрализации раствора соды углекислотой, содержащейся в воздухе

Методика определения

В шприц вместимостью 20 мл набирают 2 мл 0,005% раствора соды, подкрашенного фенолфталеином. Оттягивают поршень и засасывают в шприц исследуемый воздух, встряхивают в течение 1 мин (до 15 раз). Если цвет раствора остался розовым, то воздух выталкивают из шприца и набирают в него новую порцию воздуха и снова встряхивают. Исследование проводят в атмосферном воздухе и в воздухе помещений. Рассчитывают по формуле:

,

где, С – концентрация углекислого газа в воздухе помещения, %; 0,04 – содержание СO₂ в атмосферном воздухе городов, %; Кн – число объемов атмосферного воздуха, пошедшее на обесцвечивание раствора; Квн – число объемов воздуха исследуемого помещения, пошедшее на обесцвечивание раствора.

Определение углеводородов в воздухе газохроматографическим методом.

Теоретические основы метода газовой хроматографии.

Хроматографический метод является физико-химическим методом разделения компонентов сложных смесей газов, паров, жидкостей или растворённых веществ и основан на использовании сорбционных процессов в динамических условиях. Вследствие различной сорбируемости компонентов смеси происходит их разделение по длине колонки за счёт многократного повторения элементарных актов сорбции и десорбции.

Рисунок 8. – Газовый хроматограф

Хроматографические методы классифицируются по следующим признакам:

1. По агрегатному состоянию, в котором производится разделение смеси на компоненты – газовая, жидкостная и газо-жидкостная хроматография;

2. По механизмам разделения – адсорбционная (жидкостная, газовая), распределительная, ионообменная, окислительно-восстановительная;

3. По форме проведения процесса – колоночная, капиллярная, плоскостная, т.е. бумажная и хроматография в тонком слое.

Особое значение среди различных вариантов хроматографии имеет газовая хроматография, являющаяся одним из важнейших открытий в области анализа. Этот метод является избирательным, чувствительным, быстрым автоматическим. Большое значение имеет также возможность проводить анализ многокомпонентных смесей, содержащих малые концен­трации химических веществ. Существуют два основных вида газовой хроматографии:

1. Газо-адсорбционная, в которой исследуемые вещества распределяются между газом и твёрдым телом;

2. Газо-жидкостная хроматография с распределением вещества между газом и жидкостью.

В газо-адсорбционной хроматографии разделение веществ определя­ется многократным повторением элементарных актов сорбции и десорб­ции, различием адсорбируемых свойств компонентов разделяемой смеси. Силы взаимодействия, обуславливающие адсорбцию, зависят от структуры молекул адсорбента, способных притягивать молекулы посторонних ве­ществ. Максимальное количество адсорбированного вещества соответствует покрытию поверхности адсорбента мономолекулярным слоем. Между поверхностью адсорбента и средой устанавливается подвижное равновесие, определяемое равенством скоростей адсорбции и десорбции. Каждой концентрации адсорбируемого вещества отвечает определённое равновесное количество его на адсорбенте. В качестве адсорбентов используются силикагель, активированный уголь, окись алюминия, молекулярные сита и другие соединения.

Основным недостатком обычных адсорбентов является геометри-ческая и химическая неоднородность их поверхности, приводящая к нелинейности изотерм адсорбции, а, следовательно, и к несимметричности пиков. На таких адсорбентах симметричные пики дают только газообразные вещества, на содержание активных функциональных групп.

В настоящее время применяют модифицированные адсорбенты. Активные центры модифицированных адсорбентов имеют одинаковую активность. В этом случае адсорбент пропитывают небольшим количеством органического вещества в количестве 0,5-5,5 %, что значительно повышает активность сорбента и способствует лучшему разделению химических веществ.

Для решения аналитических задач широко используется метод газожидкостной хроматографии. Здесь процесс разделения основан на различной растворимости компонентов в неподвижной фазе, которая наноситься на твёрдый сорбент. В данном случае твёрдый сорбент служит для создания достаточно большой поверхности растворителя и должен быть каталитически малоактивным.

Преимуществом газо-жидкостной хроматографии перед газо­адсорбционной является возможность получения симметричных пиков, а так же большое количество жидких фаз позволяет в каждом отдельном случае подбирать эффективную жидкость.

Принципиальная схема устройства хроматографа.

Современный газовый хроматограф представляет собой комплекс узлов, каждый из которых выполняет определённую функцию в процессе исследования, начинающегося подготовкой и вводом пробы и заканчиваю­щегося регистрацией определяемых компонентов.

В состав прибора входят:

1. термостат (температура его устанавливается в пределах 30-300°С для подогрева пробы).

2. детекторы: ионизационно-пламенный (ДИП) и по теплопроводности (ката/р/омер).

3. устройство для ввода пробы: испаритель, кран-дозатор.

4. разделительная колонка.

5. блок управления – панель подготовки газов, усилитель для детектора, терморегулятор.

6. автоматический самопишущий потенциометр.

Газ носитель из баллона поступает в дозатор, куда вводится проба воздуха (газо-адсорбционная или газо-жидкостная хроматография).

Распределение компонентов происходит в хроматографической колонке. Обычно насадочные колонки имеют длину от 1 м до 10 м и внутренний диаметр 4-6 мм. Капиллярная колонка представляет собой трубку длиной 15-100 метров и внутренним диаметром 0,2-1,0 мм, изготовленную из нержавеющей стали, меди, стекла, полимерных материалов и т.д. Температура колонки должна быть достаточно высокой для того, чтобы время анализа было небольшим и в то же время достаточно низкой, чтобы обеспечивалось требуемое разделение.

Поскольку основным способом определения состава анализируемой смеси в газовой хроматографии является метод выходной кривой, после колонки устанавливают детектор, фиксирующий изменения состава выходящей из колонки смеси. Наиболее распространёнными детекторами являются: детектор по теплопроводности и пламенно-ионизационный.

В детекторе по теплопроводности используются в качестве чувстви­тельного элемента вольфрамовая или платиновая нить нагревания при помощи постоянного тока. Газ-носитель, непрерывно протекая над ней, отводит тепло с постоянной скоростью. Если в смеси с газом-носителем над нагретой нитью находятся молекулы анализируемого вещества, то скорость отвода тепла изменяется, что вызывает изменение сопротивления нити. Это изменение легко измерить при помощи моста Уинстона, сигнал поступает на самописец, где регистрируется в виде пика. Принцип работы этого детектора основан на том, что теплопередача от нагретой нити зависит от молекулярного веса газа.

Действие пламенно-ионизационного детектора. Основано на сжигании органических соединений в пламени водорода, при этом образуются ионы, радикалы или свободные электроны. Даже при очень небольшой концентрации этих частиц газы становятся проводниками электрического тока. Под действием напряжения на электродах движение ионов упорядочивается, возникает ионный ток, который через усилитель подаётся на регистрирующее устройство (самописец). Для непрерывной записи результатов обычно используется самописец с диаграммной лентой. Рекомендуется применять самописцы чувствительностью 1 мв, для которых время пробега пера вдоль всей шкалы равно 1 сек. Потенциометрический самописец, применяемый в газовой хроматографии, представляет собой автоматическое устройство. Принцип его работы состоит в том, что входной сигнал непрерывно компенсируется равным и противоположно направленным сигналом. Одновременно протягивается диаграммная лента в направлении, перпендикулярном направлению движения пера. Запись сигналов детектора (результатов измерения) представляет собой хроматограмму, на которой каждому компоненту анализируемой смеси отвечает определённый пик.

На хроматограмме различают следующие составные части: нулевую линию – часть хроматограммы, полученную при регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки чистого газа-носителя; пик – часть хроматограммы, полученную при регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки одного из определяемых компонентов.