Введение

Объём выбросов загрязняющих веществ антропогенного происхождения стал соизмерим с масштабами природных процессов миграции и аккумуляции различных соединений. Прямое влияние загрязнения воды и воздуха промышленными предприятиями на здоровье испытывают жители как крупных городов, так и сельских районов.

В связи с этим возникла необходимость развития и расширения экологического образования при подготовке самых различных специалистов, организаторов производства и т.д., поскольку неквалифицированное вмешательство во многие экологические ситуации может привести к материальным потерям или к неоправданно негативному отношению к новым программам строительства или развития производства.

Современный специалист любого профиля должен обладать не только определённым комплексом и уровнем специальных знаний, но и определённым уровнем экологического мировоззрения и мышления, который позволит анализировать и оценивать собственную производственную деятельность относительно её воздействия на природную среду, обеспечит понимание глубоких процессов этого взаимодействия и позволит принимать обоснованные решения. Основой для развития экологического мышления и мировоззрения может служить знание и понимание основных задач и методов экологии, основных понятий и законов экологии, законов взаимодействия живых организмов и неживой природы, чёткие представления о биосфере и её эволюции в ноосферу и техносферу.

Устойчивое экологическое развитие или устойчивое функционирование биосферы в условиях всевозрастающего антропогенного давления является центральной проблемой человеческого общества, т. к. только при таком подходе может быть обеспечено само существование человечества как части биосферы.

При изучении дисциплины «Промышленная экология» неотъемлемой частью учебного процесса является проведение лабораторных занятий по отдельным разделам теоретического курса, которые способствуют более качественному освоению нового материала.

Настоящий практикум включает лабораторные работы, тематика которых максимально приближена к наиболее актуальным проблемам современности.

1 Атмосфера. Вредные вещества в атмосфере

1.1 Теоретическая часть

Атмосфера – это естественная внешняя газообразная оболочка Земли. Она обеспечивает физиологические процессы дыхания, регулирует интенсивность солнечной радиации, служит источником атмосферной влаги, а также средой, в которую удаляются остаточные газообразные продукты жизнедеятельности людей и других живых существ – например оксид углерода (II) – СО₂.

Воздух представляет собой смесь газов, которая окружает Землю сравнительно тонким слоем. Большая часть воздуха (95 %) сконцентрирована в слое толщиной 20 км от уровня моря, выше его плотность уменьшается и переходит в вакуум космического пространства на высоте нескольких сот километров над поверхностью планеты. Нижняя часть этого слоя, тропосфера, имеет толщину 8 км на полюсах и вдвое больше на экваторе. На большей части земной поверхности человеческая активность ограничивается первыми двумя километров атмосферы.

Контаминанты, выделяющиеся в процессе этой активности, выбрасываются в тропосферу, где они перемешиваются и разносятся.

Основные компоненты воздуха – азот (78 %), кислород (20,94 %), аргон (0,93 %) и (СО₂ – 0,032 % ≈ 0,035%) не взаимодействуют между собой в нормальных условиях. Микрокомпоненты – гелий, неон, криптон, ксенон и оксиды азота – мало или совсем не взаимодействуют с другими молекулами. Другие газы воздуха взаимодействуют с биосферой, гидросферой и друг с другом и поэтому имеют ограниченный срок присутствия в атмосфере и изменяющиеся концентрации. Это газы загрязнители: SO₂, NO, NO₂, СО, непредельные углеводороды "НС", NН₃, СН₄. Срок пребывания этих газов от 1-8 дней до двух лет. Другие активные газы также могут стать причиной загрязнения воздуха, если их концентрации слишком высоки, например хлор, фтор и их кислотные производные.

На первом месте среди загрязняющих веществ стоят углеводороды (уголь, нефть, газ), т.к. при их сгорании образуется большое количество отходов.

Все вещества загрязняющие атмосферу делятся на вещества естественного и искусственного происхождения.

Примеси естественного происхождения – это продукты вулканической деятельности, выветривания почвы и горных пород, лесных пожаров, отмирания растений, волнения моря (брызги), сгорания метеоритов.

Примеси антропогенного происхождения образуются при сжигании топлива (в двигателях внутреннего сгорания, на тепловых электростанциях, в отопительных системах), а также при сжигании промышленных и бытовых отходов, ядерных взрывов и т. п.

Примеси, поступающие в атмосферу, делятся на газообразные, жидкости и твёрдые. Газообразные примеси: СО, SO₂, соединения азота, углеводороды и т.д.

СО – оксид углерода

В быту называется угарным газом – самая распространённая и наиболее значительная (по массе) примесь. Образуется при сжигании ископаемого топлива. В США, например, автомашины ежегодно выбрасывают > 120 Мт этого газа. Максимальное количество СО образуется в период прогревания двигателя или переобогащения смеси.

Общая масса СО, выбрасываемая в атмосферу, оценивается в 380 Мт, при этом 270 Мт за счёт сжигания бензина, 15 Мт – угля, 15 Мт – дров, 35 Мт – промышленных отходов, 15 Мт – лесных пожаров. Различают разовую и суточную дозы СО. Его концентрации высоки на улицах городов с интенсивным движением автотранспорта, особенно во время пробок.

SO₂ – оксид серы (IV)

Второй по массе газ, загрязняющий атмосферу, образуется в результате использования человеком ископаемого топлива – угля, мазута и т.д. При контакте с водяным паром образуется сернистая кислота Н₂SО₃:

SO₂ + Н₂О → H₂SO₃ + 76 кДж.

Разрушение SO₂ в атмосфере происходит в результате воздействия ультрафиолетовой радиации:

2SO₂ + О₂ → 2SO₃ + 185 кДж.

В загрязнённой влажной атмосфере может идти следующая реакция:

SO₂ + NO₂ + Н₂О → H₂SO₄ + NO.

В атмосферу поступает также H₂S – сероводород, выделяемый микроорганизмами почвы и морской среды, но его эмиссия невелика.

Соединения азота

NO и NO₂ образуются в процессе горения при высокой температуре, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания, работающих на бензине и дизельном топливе. NO₂ разрушается до NO под действием ультрафиолета или при t > 600 °С, поэтому NO больше в выхлопных газах автомобилей, чем NO₂. Всего в атмосферу выбрасывается 15-20 Мт оксидов азота. Сохраняются эти газы в атмосфере около трёх суток. При взаимодействии с Н₂О образуются HNO₃ и другие нитраты, которые возвращаются в почву с осадками.

Углеводороды («НС»)

Основными естественными источники "НС" являются растения (1 Гт в год), а антропогенными – автотранспорт (двигатели внутреннего сгорания и топливные баки автомобилей). При неполном сгорании топлива образуются, кроме того, канцерогены, вызывающие рак лёгких. Путём хорошей регулировки двигателя и умелого управления автомобилем можно добиться снижения выброса канцерогенов.

Автомобиль на 1 км пробега выбрасывает 30 г СО, 4 г оксидов азота и 2 г углеводородов.

Аэрозоли (твёрдые примеси)

Размер твёрдых частиц колеблется от тысячных и сотых долей до нескольких десятков микрометров (мкм) при пыльных бурях.

В зависимости от размера частиц аэрозоли делятся на 3 группы:

- при радиусе частиц r < 0,1 мкм аэрозоли являются мелкодисперсными;

- при r = 0,1…1 мкм – средними (их называют ядрами конденсации, они образуют облака);

- при r > 1 мкм – крупнодисперсными.

По физическим и химическим свойствам аэрозоли делят на золь и сажу (твёрдые), дым (сильно обводненные твёрдые частицы) и капли (туман, облака, осадки).

Роль сажи в атмосфере определяется не только вредным воздействием на человека, но и тем, что сажа сильно поглощает солнечную и земную радиацию (λ от 0,25 до 13 мкм) и тем самым оказывает существенное влияние на термический режим атмосферы.

Кроме того, источниками загрязнения являются производство строительных материалов (продукты дробления пород, цемент и т. д.), цветная и чёрная металлургия и др.

Тяжёлые металлы

Пыль в воздухе индустриальных районов включает 20 % оксида железа, 19 % силикатов, 5 % сажи + оксиды металлоидов (Мn, V, Mo, As; Sb, Se и теллур). Источники загрязнения свинцом – это автомобили, литейное производство и сжигание отходов. Ежегодно каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу в среднем 1 кг свинца (в бензин добавляется тетраэтил свинца в качестве антидетонатора). Среднее время пребывания свинца составляет несколько недель. В настоящее время вся биосфера заражена свинцом антропогенного происхождения и его концентрация в атмосфере составляет 3,2 мкг/м³ в центре городов и 0,2 мкг/м³ в пригородах.

Радиоактивные примеси

Радиоактивность сильно увеличилась в 50-х, 60-х гг. прошлого столетия. Хотя с 1963 г. испытания оружия в атмосфере запрещены, некоторые страны (Китай, Франция) к Конвенции не присоединились и продолжают испытывать ядерное оружие.

Радиоактивные примеси делятся на четыре группы:

1) радиоактивные элементы земной коры:

²²²Rn, ²¹⁰Pb, ²¹⁰Bi и др;

2) космогенные изотопы (воздух + космическое излучение):

²²Na, ⁷Be, ³²P, ³³P, ¹⁴C, ³H и т.д;

3) искусственные изотопы (ядерные взрывы):

¹⁴С, ³Н, ¹³¹J, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁴Ce, ⁹⁵Zr и др;

4) отходы атомной промышленности:

¹³¹J, ¹³³Xe, ⁸⁵Kr и др.

Изотопы соединяются с аэрозолями и оседают на землю. Измерения за движением радиоактивных изотопов проводятся на шарах-зондах, аэростатах, самолётах и в наземных установках (фильтры).

Для санитарной оценки воздушной среды используется несколько видов предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ, в том числе для рабочей зоны (ПДК_р.з.), максимальная разовая (ПДК_м.р.) и среднесуточная (ПДК_с.с.), которые установлены на основе рефлекторных реакций организма человека на присутствие в воздухе токсикантов.

ПДК – это такое содержание вредного вещества в окружающей среде, которое при постоянном контакте или при воздействии за определённый промежуток времени практически не влияет на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства.

ПДК_р.з. – предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны, мг/м³. Эта концентрация не должна вызывать у работающих при ежедневном вдыхании в течение 8 ч за все время рабочего стажа каких-либо заболеваний или отклонений от нормы в состоянии здоровья, которые могли бы быть обнаружены современными методами исследования непосредственно во время работы или в отдаленные сроки. При этом рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой расположены места постоянного или временного пребывания работающих.

ПДК_м.р. – максимальная разовая концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, мг/м³, которая не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

ПДК_с.с. – среднесуточная предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, мг/м³. Эта концентрация вредного вещества не должна оказывать прямого или косвенного вредного воздействия на организм человека в условиях неопределенно долгого круглосуточного вдыхания.

В настоящее время действуют нормативные документы: «ПДК вредных газов, паров и аэрозолей в воздухе рабочей зоны», установленные для 445 загрязняющих веществ, и «ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест», включающие 109 загрязняющих веществ, наиболее распространенные из которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 – ПДК некоторых вредных веществ в атмосферном воздухе

Вещество	ПДК, мг/м3
	максимальная разовая	среднесуточная
1	2	3
Азота диоксид Азотная кислота Аммиак Анилин Ацетон Бензол Бензин (нефтяной, малосернистый, в пересчете на С) Бутан Бутилацета	0,085 0,4 0,2 0,05 0,35 1,5 5 200 0,1	0,085 0,4 0,2 0,03 0,35 0,8 1,5 - 0,1
Продолжение таблицы 1
1	2	3
Винилацетат Гексахлорциклогексан Дивинил Диметиланилин Дихлорэтан Изопропилбензол Капролактам (пары, аэрозоль) Карбофос Ксилол Масляная кислота Метанол Метафос Метилацетат Метилмеркаптан Мышьяк (неорганические соединения, кроме H3As, в пересчёте на As) Нафталин Нитробензол Нитрохлорбензол (пара- и орто-) Пиридин Пропиловый спирт Пыль нетоксичная Ртуть металлическая Сажа (копоть) Свинец и его соединения, кроме Рb(С2Н5)4, в пересчете на Рb Свинца сульфид Серная кислота Сероводород Сероуглерод Серы диоксид Синильная кислота Соляная кислота Стирол Толуол Триэтиламин Углерода оксид Углерода тетрахлорид Уксусная кислота	0,15 0,03 3 0,0055 3 0,14 0,06 0,015 0,2 0,015 1 0,008 0,07 9∙10-6 - 0,003 0,008 - 0,08 0,3 0,5 - 0,15 - - 0,3 0,08 0,03 0,5 - 0,2 0,003 0,6 0,14 3 4 0,2	0,15 0,03 1 0,0055 1 0,14 0,06 - 0,2 0,01 0,5 - 0,07 0,003 0,003 0,008 0,004 0,08 0,3 0,15 0,0003 0,05 0,0007 0,0017 0,1 0,008 0,005 0,05 0,01 0,2 0,003 0,6 0,14 1 2 0,06

Многие токсичные вещества обладают эффектом суммированного действия, т.е. их смеси оказывают более токсичное воздействие на живые организмы, чем отдельные компоненты. Это можно сказать о смесях ацетона и ацетофенона; оксидов серы и оксидов азота; сильных минеральных кислот (НСl, HNO₃,H₂SO₄); валериановой, капроновой и масляной кислот; диоксида серы и фтороводорода; диоксида серы и фенола и многих других.

Таблица 2 – ПДК некоторых технических композиций в воздухе, мг/м³

Техническое вещество	ПДКР.З.(1), ПДКМ.Р.(2), ПДКС.С.(3).
Бензин: буроугольный газовый нефтяной малосернистый, в пересчете на С	1,0 (3) 100 (1) 5,0 (2) 1,5 (3)
Бензин-растворитель, в пересчете на С	300(1)
Воск буроугольный	300 (1)
Керосин, в пересчете на С	300(1)
Лигроин, в пересчете на С	300 (1)
Масла нефтяные	5(1)
Масла эфирные	5(1)
Масло минеральное белое	5(1)
Петролейные газы сжиженные	1800(1)
Сероводород в смеси с углеводородами	3(1)
Скипидар, в пересчете на С	300 (1)
Смола полукоксования	5 (1)
Эпоксидная смола (Э-18)	0,5(1)

Аналогичное действие могут оказывать пары и аэрозоли некоторых технических веществ, представляющих собой сложные композиции из нескольких и даже многих индивидуальных соединений. ПДК некоторых из них представлены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 – ПДК сложных композиций различных веществ, мг/м³

Техническая пыль	ПДКР.З., мг/м3
Лубяная	2
Льняная	2
Люминала и кофеина	1
Нефтяного и пекового кокса	6
Полипропилена	8
Фторопласта	10
Полиформальдегида	6
Полиэтилена	8
Очистки зерна	900
Растительного и животного происхождения (х/б, мучная, зерновая и т.д.), содержащая до 10 % свободной SiО2	4
То же, с содержанием SiO2 10 % и более	2
Хлопкоочистительных заводов, содержащая до 10 % свободной SiO2	4
То же, с содержанием SiО2 10 % и более	2

В настоящее время в Российской Федерации, утверждены нормативы ПДК некоторых радиоактивных веществ в воздушной и водной средах (таблица 4).

Таблица 4 – ПДК радиоактивных веществ в воздухе и воде, Бк/л

Радиоактивный изотоп	Воздух рабочих помещений	Вода открытых водоёмов
Уран Фосфор-32 Сера-35 Кобальт-60 Стронций-90	5∙108 3,7 37 1,85 0,185	19∙108 3,7∙102 18,5∙104 185 18,5

В последнее время многие ученые пришли к выводу, что для канцерогенных веществ и ионизирующей радиации не существует нижних пределов безопасности и любые их количества, превышающие природный фон, опасны для живых организмов, если не непосредственно, то генетически, в цепи последующих поколений.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе устанавливают, как правило, экспериментально, с использованием подопытных животных. Для оценки действия токсикантов на живые организмы приняты следующие величины:

ЛК₅₀ – летальная концентрация вещества, вызывающая при вдыхании гибель 50 % подопытных животных, мг/л. Значения ЛК₅₀ выражают также в миллимолях на литр (ммоль/л);

ПК_ост – пороговая концентрация острого действия, установленная на лабораторных животных при однократном ингаляционном воздействии, мг/л;

ПК_хр – пороговая концентрация хронического действия, установленная на лабораторных животных при длительном ингаляционном воздействии по 6 ч ежедневно, мг/л.

Для обеспечения охраны воздушной среды установлена еще одна нормативная величина, характеризующая объем вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу отдельными источниками загрязнения – предельно допустимый выброс (ПДВ). Предельно допустимый выброс – это объем (количество) загрязняющего вещества, выбрасываемого отдельным источником за единицу времени, превышение которого ведет к превышению ПДК в среде, окружающей источник загрязнения, и, как следствие, к неблагоприятным последствиям в окружающей среде и риску для здоровья людей.

ПДВ рассчитывают по методам, разработанным Госкомгидрометом и стандартизованным ГОСТ 17.2.3.02–78. При его установлении для каждого предприятия принимается во внимание перспектива развития промышленного производства в этом районе, расположение уже действующих предприятий и жилой застройки, географические и климатические условия местности, расположение санитарно-защитных и рекреационных зон.

Если в воздухе города концентрации вредных веществ превышают ПДК, а их выбросы по причинам объективного характера не могут быть в данный момент снижены до уровня ПДВ, устанавливают так называемые временно согласованные выбросы (ВСВ) по аналогии с предприятиями, близкими по мощности и типу производства, с наиболее прогрессивной технологией.

Наряду с ПДК для контроля за промышленными выбросами пользуются рядом дополнительных характеристик, в том числе ДОК (допустимое остаточное количество), ОБУВ (ориентировочный безопасный уровень воздействия), ОДК (ориентировочная допустимая концентрация).

1.2 Практическая часть

Лабораторная работа №1

АНАЛИЗ ГАЗОВ НА АППАРАТЕ «КАСКАД»

1 Теоретическая часть

Назначение прибора

Многокомпонентные электрохимические газоанализаторы моделей «Каскад – 312.1-312.5, 512.1, 512.2» предназначены для измерения температуры газа, массовых концентраций СО, NO₂, NO, SO₂, H₂S, Cl₂ и объемных долей О₂ и СО₂ в вентиляционных и промышленных газовых выбросах. Область применения – регулировка режимов работы котельного оборудования и контроль промышленных и вентиляционных выбросов.

Газоанализаторы представляют собой автоматические приборы периодического действия.

Конструктивно газоанализатор выполнен в одном блоке.

Принцип действия – электрохимический.

Газоанализаторы позволяют измерять концентрации следующих компонентов:

Анализируемый компонент	Диапазон измерений
H2S	0 – 100 мг/м3
NО2	0 – 200 мг/м3
СО	0 – 20,0 г/м3
О2	0 – 25 об %
СО2	0 – 25 об %

Параметры анализируемой газовой смеси на входе в газоанализатор:

- температура от 0 до 800 °С (при использовании системы пробоподготовки);

- давление от 630 до 800 мм рт. ст.;

- относительная влажность от 15 до 95 %.

Состав анализируемой газовой среды (кроме измеряемых компонентов): N₂О – 100 об. %; пыль – до 40 мг/м³.

Расход анализируемой газовой смеси 1,0 ± 0,5 л/мин.

Газоанализатор выдерживает перегрузку, вызванную превышением содержания измеряемого компонента на 200 % за пределы измерений, в течение 5 мин. Время восстановления нормальной работы после снятия перегрузки не более 60 мин.

Устройство и принцип работы газоанализатора

В основу работы газоанализатора положен электрохимический метод определения концентрации газа. Чувствительным элементом служит электрохимический сенсор. Измеряемый газ путем диффузии проникает в сенсор, инициирует на электродах датчика электрический ток, пропорциональный концентрации газа. Напряжение, снимаемое с нагрузочного резистора, усиливается, поступает на аналогово-цифровой преобразователь и индицируется на цифровом жидкокристаллическом индикаторе.

На передней панели газоанализатора расположены: жидкокристаллический индикатор, 4 кнопки управления, штуцера "Вход" и "Выход", разъём "Зонд" для подключения температурного зонда. В корпус разъема "Зонд" встроен датчик для определения температуры окружающего воздуха.

Газозаборный зонд предназначен для отбора газовой пробы в газо- и дымоходах, в условиях высокой температуры и влажности. При прохождении отбираемой для анализа газовой пробы происходит охлаждение газовой пробы до температуры, необходимой для нормальной работы электрохимических сенсоров газоанализатора, отделение конденсата и сбор его в специальном приемном устройстве. Одновременно происходит фильтрация мелкодисперсионных частиц (сажа, пыль и т.п.), которые выводятся вместе с конденсатом. Очищенный и охлажденный газ поступает на штуцер "Вход" газоанализатора "КАСКАД".

После включения прибора проверяется наличие сетевого питания. Если оно присутствует, на дисплее появляется сообщение «Сеть 220 В» и прибор начинает работу в полном объеме, в частности, подсвет дисплея включается в постоянный режим.

Управление прибором

Управление программой прибора осуществляется с помощью четырех клавиш (Е, П, ↑, ↓) через двухуровневое меню.

Позиции главного меню ИЗМЕРЕНИЕ, УСТАНОВКА НУЛЯ являются конечными (самостоятельными), остальные имеют вложенные меню, о чем напоминают символы •••>.

Всего прибор распознает шесть клавиш и их комбинаций: П, ↑, ↓, E+↑, Е+↓, Е+П (клавиша Е самостоятельного значения не имеет). Сочетание Е+Х (где X = ↑, ↓, П) означает, что при нажатой и удерживаемой клавише Е нужно нажать и отпустить клавишу X. Кроме того, если удерживать нажатой клавишу или комбинацию дольше 0,5 с, генерируется последовательность нажатий с периодом 0,25 с.

На 4 строчном дисплее прибора в режиме меню в нижней строке всегда выводится название текущего меню, а в трёх верхних - три последовательных позиции его:

» Измерение Заводская (*)

Установка нуля Пользовательская()

Калибровка •••> » Возврат

ГЛАВНОЕ МЕНЮ КАЛИБРОВКА

Выбранная позиция меню помечена курсором – мигающим символом » в крайней левой позиции строки дисплея. Перемещение курсора по позициям меню (с прокруткой строк при необходимости) производится нажатием клавиш ↑ и ↓. Переход во вложенное меню из главного производится нажатием клавиши П на выбранной позиции, возврат в главное из вложенного – нажатием клавиши П на строке ВОЗВРАТ, которая есть в каждом вложенном меню (всегда последняя).

Кроме того, для быстрого перемещения по меню служат комбинации клавиш: Е+↑ – перемещение курсора в первую позицию текущего меню, Е+↓ – перемещение курсора в последнюю позицию текущего меню, Е+П – перемещение курсора в первую позицию главного меню.

Исполнение выбранной позиции меню (запуск назначенной ему процедуры) осуществляется клавишей П.

После завершения любой процедуры происходит возврат в режим меню.

В приборе имеется энергонезависимое РПЗУ (репрограммируемое запоминающее устройство) данных, куда в режиме ИЗМЕРЕНИЕ можно записывать текущие результаты (запоминаются концентрация, температура, время и дата измерения).

Операция - «СТИРАНИЕ ПАМЯТИ» удаляет все ранее сделанные записи, заполняя их нулями. В случае ее выбора на дисплее появится вопрос «Стирать?» (Е+П – да, П – нет), на который следует ответить, как указано. В результате появится сообщение «Память данных стерта» или «Отменено» соответственно.

Режим - «СВОБОДНАЯ ПАМЯТЬ» сообщает общий объем памяти (он зависит от типа установленного РПЗУ и количества запоминаемых результатов, в данном приборе страниц), количество занятых и свободных страниц (из расчета одна запись на странице). Если последнее число равно нулю, то значит, имело место переполнение РПЗУ, и дальнейшая запись производится поверх наиболее старой.