Лекция 14.2. Методы и средства контроля загрязнений окружающей среды. Методы определения вредных веществ в воздухе: автоматическая система контроля за загрязнением 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 д.р.).

Борьба с загрязнением воздуха (ЗВ) 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.

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

1) аналитические методы лабораторного анализа воздуха; ) автоматические приборы для определения концентрации загрязняющих атмосферу веществ;

2) автоматизированные системы контроля загрязнения окружающей среды - АСКЗ;

3) 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.

Автоматические методы газового анализа целесообразно использовать в автоматизированных системах контроля загрязнения атмосферы (АСКЗ-А) в виде непрерывно действующих приборов-датчиков для телеконтроля основных вредных ее ингредиентов. Была создана серия автоматических приборов для определения в указанных ниже пределах концентраций пяти ингредиентов (табл.2).

В условиях возрастающего загрязнения атмосферы городов и промышленных центров возникла необходимость создания на базе автоматических приборов автоматизированных систем для оперативной оценки состояния о загрязнении воздуха (ЗВ) и предупреждения опасных ситуаций, возникающих в отдельных районах.

При значительных выбросах вредных веществ предприятиями, транспортом и другими источниками в условиях изменяющейся метеорологической обстановки. АСКЗ-А состоит из разветвленной сети непрерывно действующих датчиков вредных ингредиентов и метеопараметров и включает телеметрическую аппаратуру централизованного сбора и обработки (с помощью ЭВМ) получаемой от датчиков информации, которая используется для прогноза ожидаемого уровня загрязнения и оперативного управления качеством атмосферы данного региона. Первые работы по научному обоснованию, разработке и внедрению АСКЗ-А в нашей стране были выполнены в Институте технической теплофизики (ИТТФ) под руководством академика А. Н. Щербаня и доктора технических наук А. В. Примака. Алгоритм данной системы включает:

1) оперативный сбор информации от отдельных пунктов города - контрольно-замерных станций (КЗС) - об уровне концентрации вредных веществ и величине метеопараметров;

2) контроль достоверности полученных данных и передачу информации в центральную станцию (ЦС), где производится их оценка и анализ репрезентативности всей получаемой информации, и принимаются решения по управлению качеством состояния атмосферы. Здесь же на ЦС накапливается информация о ЗВ, производится ее обработка, усреднение (данные «пиковых» загрязнений: среднесуточные, месячные, сезонные и годовые) и передача систематизируемого и прогнозируемого материала в соответствующие организации и Информационный центр общегосударственной системы контроля загрязнения окружающей среды. Для эффективного контроля загрязнения атмосферы города с населением до 100 тыс. чел. минимальное число КЗС должно быть не менее 3, до 300 тыс. чел.- 5, до 500 тыс. чел.- более 7, свыше 1 млн. чел,- от 11 до 24.

В зависимости от характера и объема задач, решаемых автоматизированными системами контроля окружающей среды, их можно разделить на пять типов: промышленные, городские региональные, общегосударственные и глобальные

Промышленные системы контролируют выбросы промышленного предприятия, степень загрязнения его промплощадок и прилегающего к нему района. Обычно они входят в систему предприятия и имеют датчики, характерные для ингредиентов его выбросов и метеодатчики, которые располагаются с учетом места выбросов вредностей в атмосферу, «розы ветров» и характера размещения жилых массивов в районе промышленного предприятия.

Городские системы предназначены для контроля уровня загрязнения воздушного бассейна города выбросами промышленных предприятий, автомобильного транспорта и измерения метеопараметров. Они позволяют установить величину загрязнения с учетом времени года и климатических факторов, «вклад» каждого источника загрязнения и всестороннюю его характеристику, прогнозировать опасные ситуации смогового характера, информировать о возможности их возникновения и других особенностях атмосферы контролируемого региона партийные и советские органы, а также руководителей отдельных предприятий.

Региональные системы обычно не имеют КЗС, а получают сведения о загрязнении атмосферы и водоемов от городских и промышленных АСКЗ. Они предназначены для статистической обработки и анализа данных о загрязнении окружающей среды на значительных территориях, на базе которых проводятся исследования и прогнозирование, а также разработка научно обоснованных рекомендаций по охране природной среды,

Общегосударственные системы получают материалы о загрязнении и состоянии окружающей среды от региональных систем, с искусственных спутников Земли и космических орбитальных станций. Они функционируют совместно со службой погоды Госкомгидромета и осуществляют прогнозирование состояния загрязнения атмосферы на больших территориях страны.

Глобальные системы мониторинга окружающей среды используются для исследований и охраны природы, осуществляемых па основании международных соглашений в этой области. Ряд стран имеет сеть наземных станций, на которых осуществляется непрерывный отбор и анализ проб на присутствие в атмосфере загрязняющих веществ, СО, С02, пыли свинца, а также изотопов некоторых элементов (радионуклидов) естественного и искусственного происхождения.

Заслуживает внимания созданная система мониторинга фонового загрязнения окружающей природной среды, которая имеет сеть специальных станций в различных природных зонах и районах, значительно удаленных от локальных источников загрязнения, и, в частности, в биосферных заповедниках. Она охватывает все основные типы природных зон и предусматривает организацию систематических и комплексных фоновых наблюдений в семи главных типах зональных экосистем: арктических пустынь, сухих и луговых степей, таежных лесов и др.

Основу работ по автоматизированному мониторингу окружающей среды в нашей стране составляют системы семейства АНКОС (автоматического наблюдения, контроля окружающей среды) специализированных аналитических станций.

В соответствии с ранее предложенной классификацией видов мониторинга охарактеризуем средства контроля объектов окружающей среды с точки зрения используемых методов исследований. Все средства экологического контроля, с точки зрения используемых методов исследования, можно разделить на дистанционные и наземные.

Дистанционные методы исследования осуществляются посредством зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных) и переноса полученной информации к датчику. Таким образом, дистанционные методы базируются на физических методах исследования, используемых в авиационном и космическом мониторинге, а также для слежения за средой в труднодоступных местах Земли.

Наземные методы базируются на химических и биологических методах исследования.

Дистанционные методы контроля

Дистанционные методы широко применяются при изучении атмосферы, гидросферы и био-литосферы. Преимуществом дистанционного измерения является возможность беспрерывного определения средних концентраций вредных веществ по площади (в отличие от наземных методов, которые дают концентрации лишь в одной точке), а также оценки вертикального распределения примесей, характеризующих потенциал загрязнений. Кроме того, данные методы позволяют оценивать движение загрязняющих веществ в атмосфере без анализа проб в различных пунктах и, таким образом, устанавливать влияние источника загрязнения, расположенного на расстоянии нескольких километров, прогнозировать угрожающие ситуации.

Контроль загрязнения атмосферы. Впервые попытки изучения газовой оболочки Земли были предприняты великими русскими учеными — М.В. Ломоносовым, а позднее Д.И. Менделеевым. Первая служба погоды в России появилась в 1872 г. Множеством экспериментальных данных подтверждена связь между загрязнениями атмосферы и ее метеорологическими параметрами.

В последнее время получает свое развитие лазерный (лидарный) контроль атмосферы. Лазеры — это приборы, испускающие световой луч очень острой направленности, т.е. с очень малой расходимостью световых

лучей. Благодаря этому все излучение лазера собирается в пятнышко

площадью -10 см , в котором создается огромная плотность мощности (до 10 ТВт/см²).

Принцип лазерного зондирования атмосферы заключается в том, что лазерный луч при своем распространении рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха, поглощается и изменяет свои физические параметры (частоту, форму импульса и др.). Появляется свечение (флюоресценция), что позволяет качественно и количественно судить о тех или иных параметрах воздушной среды (давлении, температуре, влажности, концентрации газов и т д.). Лазерное зондирование атмосферы осуществляется преимущественно в ультрафиолетовом, видимом и микрометровом диапазонах. Использование лидеров с большой частотой повторения импульсов малой длительности позволяет изучать динамику быстро протекающих процессов в малых объемах и в значительных толщах атмосферы.

Обобщенные результаты вышеперечисленных методов контроля атмосферы позволяют устанавливать закономерности планетарного распределения облачного покрова, определять места зарождения и направление перемещения циклонов, тайфунов, пыльных бурь, аэрозольных и газообразных загрязнителей.

Наземные средства контроля

Биологические методы. Система оценки степени загрязнения ат­мосферного воздуха, водоемов и почвы, основанная на учете состояния соответствующих экосистем, называется биоиндикацией. Методы биоиндикации основываются преимущественно на двух принципах: регистрации обнаружения характерных организмов (биоиндикаторов) и анализе видовой структуры биоценозов.

Химические методы контроля окружающей среды. Методы анализа, используемые в современных лабораториях, занимающихся контролем окружающей среды, включают множество вариантов оптических методов анализа (например, спектрофотометрию в видимой, УФ- и ИК-областях), методов разделения на основе газовой, жидкостной и тонкослойной хроматографии, радиометрических методов (применяются ограниченно, так как требуют специально подготовленных лабораторий) и электрохимических методов, таких как вольтамперометрия и ионометрия, имеющих определенные преимущества с точки зрения низкой стоимости и необходимых расходов на эксплуатацию приборов.

Главной задачей, стоящей перед специалистами данной области, является разработка новых, более чувствительных, точных, селективных и не слишком дорогостоящих методов анализа.

Лаборатории, в которых определяют субнанограммовые содержания веществ, уже стали обычным явлением, а некоторые новые методы анализа настолько чувствительны, что позволяют определять до нескольких сотен отдельных атомов. Аппаратура, необходимая для проведения подобных анализов (например, для анализа мелких частиц, осажденных на поверхности других сопутствующих частиц), сложна и дорогостоящая (например, стереоэлектронные и поляризационные микроскопы, рентгеновские и дифракционные спектрометры, электронные и ионные микрозонды в сочетании с масс- спектрометрами, приборы радиоактивационного анализа, лазерная техника). Для работы с такой аппаратурой требуется специальная подготовка операторов. Тем не менее более простые методы анализа достаточно часто находят применение при повседневном контроле объектов окружающей среды. Например, рН- контроль почв и воды, контроль загрязнений в почвах, водах, атмосфере и живых организмах.

Оптические методы анализа применяются во многих областях кон­троля окружающей среды. Классические фотометрия и спектрофотометрия, основанные на образовании определяемыми компонентами окрашенных соединений с разнообразными реагентами, находят достаточно широкое применение. Вместе с тем усиливается роль атомно-абсорбционной и эмиссионной (флуоресцентной) спектрометрии, то есть тех методов, которые позволяют уже сейчас определять большинство химических элементов в анализируемых пробах с низкими пределами обнаружения 10^-14 г). Для этих целей широкое практическое применение получили автоматизированные спектрометры и квантометры, несмотря на их высокую стоимость.

Атомно-абсорбционная спектрометрия становится обычным ме­тодом, особенно при контроле загрязнений атмосферы и вод, когда простейшая предварительная пробоподготовка или концентрирование способствует повышению чувствительности определений. То есть вышеперечисленные методы позволяют идентифицировать количественный состав определяемых компонентов (загрязнителей) в различных объектах окружающей среды.

Для установления структуры и исследования механизма, протекающих процессов, используют методы: рентгенофлуоресцентный, дифракционный анализ, молекулярную спектрометрию (ИК-, УФ-, ЯМР-, ЭПР-спектроскопия и др.).

Радиометрические методы занимают особое положение среди ме­тодов, используемых для аналитического контроля окружающей природной среды. Их использование в лабораториях контроля загрязнений окружающей среды ограничено, так как эти методы требуют специального оборудования и соблюдения множества требований безопасности. Однако в тех случаях, когда другие методы анализа не могут быть использованы, в основном из-за очень высоких требований к пределам обнаружения, применяют радиометрические. Например, для определения следов элементов в биологических материалах используют изотопный стехиометрический анализ или нейтронно-активационный метод.

Достаточно часто контроль качества окружающей среды приходится проводить в полевых условиях, а это исключает работу с крупногабаритными приборами, даже если они удовлетворяют вышеуказанным критериям.

Современные приборы и оборудование должны быть приспособлены для контроля широкой номенклатуры веществ и для определения по возможности нескольких компонентов проб.

В наибольшей степени вышеуказанным требованиям удовлетворяют электрохимические методы, которые находят широкое применение в анализе почв, вод, атмосферы, биологических объектов.

Электрохимические методы позволяют получать данные, объяс­няющие механизм химических реакций в контролируемых системах, одновременно с оценкой содержания участвующих в этих реакциях компонентов (например, при изучении циклов типа «загрязнение — окружающая среда — источник — человек»). К основным электрохи­мическим методам, имеющим широкое практическое применение, относятся вольт-амперометрия (включая полярографию), потенциометр ия (ионометрия),кулонометрия и кондуктометрия. Интересно отметить, что из всех электрохимических методов, только ионометрия с мембранными ионселективными электродами, явилась принципиально новой разработкой второй половины XX столетия. Все остальные методы известны давно и были просто модернизированы по мере усовершенствования аппаратурного оформления.

Все методы химического анализа, и уже освоенные, и вновь по­явившиеся, постоянно совершенствуются. В дальнейшем их совершенствование будет происходить в основном за счет применения ана­логовых и цифровых устройств или их комбинаций, а также за счет автоматизации и миниатюризации аппаратуры и модернизации способов обработки больших выборок экспериментальных данных современными математико-статистическими методами.

По требованиям производственной санитарии в каждом цехе должен проводиться систематический контроль воздушной среды. Такой контроль осуществляется заводской газоаналитической лабораторией или специалистами центральной заводской лаборатории, а также административным и инженерно-техническим персоналом цехов и производственных участков.

Для контроля воздушной среды применяются лабораторные методы и методы быстрого анализа: экспрессные, индикационные и др. Лабораторные методы определения вредных веществ в воздухе (титрование, калориметрический, нефелометрический и др.) дают точные результаты, но определения могут вестись только специалистами-химиками в лабораторных условиях и занимают много времени.

В основе экспрессных методов в большинстве случаев лежат быстро протекающие реакции с изменением цвета реагирующих веществ. Применяют небольшие объемы высокочувствительной поглотительной жидкости или твердого вещества (носителя), пропитанного индикатором. В качестве твердых носителей применяют силикагель или фарфоровый порошок. Силикагелем, пропитанным индикатором, заполняют стеклянную трубочку и через трубочку пропускают определенный объем исследуемого воздуха. О количестве вредного вещества в воздухе судят по длине окрашенного столбика индикаторной трубки, сравнивая его со шкалой. Такой метод быстрого определения вредных веществ в воздухе получил название линейно-колористического.

В настоящее время разработаны линейно-колористические методы быстрого определения ряда токсических веществ: сероводорода, хлора, аммиака, двуокиси азота, паров бензина, бензола, толуола, ксилола, этилового эфира и др. Для отбора проб воздуха пользуются прибором, именуемым универсальным газоанализатором.

В отношении ряда токсических веществ (ртуть, цианистые соединения и некоторые другие), присутствие которых в воздухе нежелательно и требуется принятие особых срочных мер (пуск аварийной вентиляции, нейтрализация загрязненного участка, применение средств индивидуальной защиты), применяют индикационные методы анализа.

Индикационные методы отличаются простотой, с их помощью можно быстро производить качественные определения. Так, например, с помощью бумажки, предварительно пропитанной уксусно-кислым свинцом, можно

быстро определить присутствие в воздухе сероводорода. Она чернеет даже при весьма малых концентрациях (следов) сероводорода в воздухе.