Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерения качества окружающей среды. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В. С. Гусарова, И.А. Макарова, У.П. Зырянова
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
ИЗМЕРЕНИЯ КАЧЕСТВА
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Учебное пособие
Ульяновск
УлГТУ
2021
УДК 502.175(075.8)
ББК 20.18 я73
Г 96
Рецензенты:
канд. хим. наук, доцент кафедры общей и биологической химии
УлГУ Т.С. Андреева;
канд. хим. наук, ведущий инженер по охране окружающей среды
ФНПЦ АО «НПО «Марс» З.В. Подольская
Утверждено редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Гусарова, Вера Сергеевна
Г 96 Методы и средства измерения качества окружающей среды : учебное
пособие / В. С. Гусарова, И. А. Макарова, У. П. Зырянова. –
Ульяновск : УлГТУ, 2021. – 107 с.
ISBN 978-5-9795-2004-9
Учебное пособие составлено на основании Федерального государственного
образовательного стандарта высшего образования и учебных планов УлГТУ для
бакалавров направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность», профиля «Инженерная защита окружающей среды». Может быть использовано также
студентами других экологических специальностей и направлений. Рассматриваются
основные понятия, устанавливаются состав, последовательность выполнения практических работ. Содержит необходимый справочный материал и основные расчетные
зависимости.
Пособие подготовлено на кафедре «Промышленная экология и техносферная безопасность».
УДК 502.175(075.8)
ББК 20.18я73
© Гусарова В.С., Макарова И.А.,
Зырянова У.П., 2021
ISBN 978-5-9795-2004-9 © Оформление. УлГТУ, 2021
СОДЕРЖАНИЕ
ПРИМЕНЯЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ ............................................................. 4
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 5
1. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ (6-й семестр обучения)
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1. Способы выражения концентрации
веществ, содержащихся в воздухе ..................................................................... 6
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2. Аппаратура для отбора проб
воздуха и воды ................................................................................................... 15
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3. Стабилизация, хранение,
транспортировка и подготовка проб к анализу в лаборатории .................... 33
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4. Расчет количественных показателей,
измеренных инструментально при мониторинге водных объектов ............ 50
2. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ (7-й семестр обучения)
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5. Методы отбора проб почвы ................... 58
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6. Аппаратура для отбора проб почвы ..... 64
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7. Расчет количественных показателей,
измеренных инструментально при мониторинге почв.................................. 70
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8. Математическая обработка
результатов анализа экоаналитических проб ................................................. 79
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 9. Средства измерения
универсального назначения. Спектрофотометрия ........................................ 89
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 10. Средства измерения
универсального назначения на основе электрохимических методов
анализа .............................................................................................................. 100
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................... 106
3
ПРИМЕНЯЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АФС – атомно-флуоресцентная спектроскопия
АЭС – атомно-эмиссионная спектроскопия
БПК – биохимическое потребление кислорода
ВАМ – вольтамперометрический метод
ВЭЖХ – высокоэффективная жидкостнохроматографическая приставка
ДДТ – дихлордифенилтрихлорметилметан, дуст (хлорорганический инсектицид)
ДМФА – диметилформамид
ДЭАА – диэтилацетамид
ЗВ – загрязняющие вещества
ИВА – адсорбционная инверсионная вольтамперометрия
ИСП – индуктивно связанная плазма
КК – криогенное концентрирование
ЛМС – люминесцентная спектроскопия
ОС – окружающая среда
ос.ч. – особо чистый химический реактив
ПАУ – полиароматические углеводороды
ПДК – предельная допустимая концентрация
ПХБ – полихлорированные бифенилы
ПХДД – дибензо-п-диоксин (химическое соединение группы диоксинов)
ПХДФ – полихлорированный дибензофуран (химическое соединение
группы диоксинов)
РФС – рентгено-флуоресцентный спектрометр
СПАВ – синтетические поверхностно-активные вещества
ТСХ – тонкослойная хроматография
УФ – ультрафиолетовый
ФОП – фосфорорганические пестициды
х.ч. – химически чистый реактив
ХОП – хлорированные органические пестициды
ХОС – хлорированные органические соединения
ХПК – биохимическое потребление кислорода
ч.д.а. – чистый для анализа реактив
ЭДТА – этилендиаминтетрауксусная кислота
ЭХ – электрохимические (методы анализа)
4
ВВЕДЕНИЕ
Методы и средства измерения качества окружающей среды являются
практическим инструментарием экологического мониторинга окружающей
среды.
Средства измерения качества окружающей среды подразделяются на
контактные, неконтактные (дистанционные), биологические, а контролируемые показатели на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров – концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и др.).
Контактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами химического анализа, так и современными методами инструментального анализа.
Инструментальные методы химического анализа можно объединить
в следующие группы [3]:
• спектрофотометрия и фотометрия, позволяющие определять содержание
почти всех элементов в воздухе, воде и почве;
• атомно-эмиссионная спектрометрия, эмиссионная фотометрия пламени,
применяемые, в основном, для определения металлов (особенно микроэлементов);
• атомно-абсорбционная спектрометрия, применяемая для определения
микроэлементов;
• флуориметрия, применяемая для определения микроэлементов и органических веществ;
• потенциометрия (ионометрия), применяемая для определения содержания различных ионов (К+, Na+, Ca2+, Cl –, Br –, F – и др.), рН;
• вольтамперометрия, используемая для определения микроэлементов и
органических веществ;
• газожидкостная хроматография, для анализа сложных смесей органических веществ.
В пособии содержатся методические указания к проведению практических и семинарских занятий по дисциплине «Методы и средства измерения качества окружающей среды».
5
1. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ (6-й СЕМЕСТР ОБУЧЕНИЯ)
Практическая работа №1.
Способы выражения концентрации веществ, содержащихся в воздухе
Цель работы: приобрести навыки выражения концентрации веществ в
различных единицах измерения.
Теоретическая часть
Общие сведения об экологическом мониторинге
и методах определения загрязнений атмосферного воздуха
Экологический мониторинг атмосферного воздуха включает в себя
изучение источников загрязнения, исследование химических и фотохимических превращений загрязняющих веществ, выявление наиболее токсичных веществ, изучение распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе с воздушными потоками, определение концентраций загрязняющих веществ и прогноз изменения экосистем под влиянием загрязнений воздуха.
Подготовка пробы зависит от метода анализа загрязнений в атмосфере. В зависимости от природы загрязняющего вещества и его концентрации
в воздухе используются методы газовой и газожидкостной хроматографии,
нейтронно-активационный, атомно-абсорбционный, полярографический,
фотометрический, спектрофотометрический и другие методы.
Определение загрязнений в атмосфере включает следующие операции: отбор проб воздуха и концентрирование микропримесей вредных веществ; подготовка пробы к анализу; анализ микропримесей, обработка результатов анализа и прогноз изменения состояния окружающей среды.
Пробы атмосферного воздуха отбирают в сосуды ограниченной емкости, как правило, аспирационным способом. Этот способ основан на извлечении определяемого вещества поглотительным раствором или твердыми сорбентами с большой поглощающей поверхностью (селикагель,
алюмогель, активированный уголь и др.).
Широко распространено также использование фильтрующих материалов из тонких волокон (ацетилцеллюлозы, полиакрилонитрила, полиакрилата и др.).
6
Обычно место для отбора проб воздуха следует выбирать так, чтобы в
непосредственной близости от него не было каких-либо деревьев или стен
зданий. Нельзя также проводить отбор проб во время дождя или снегопада.
При отборе проб необходимо также учитывать агрегатное состояние и свойства определяемого загрязнителя. Наиболее часто при анализе воздуха непосредственно в процессе отбора проб производятся разделение и концентрирование компонентов воздуха, подлежащих определению.
В зависимости от предполагаемого уровня содержания определяемого загрязнителя воздуха отбор проб может осуществляться с применением
концентрирования или без него. В последнем случае в качестве пробоотборных емкостей используют стеклянные шприцы, газовые пипетки, мешки из полимерных пленок, резиновые камеры и др.
Для концентрирования микропримесей используют обычные твердые сорбенты и поглотительные растворы. Воздух протягивают через сорбенты или поглотительный раствор с определенной скоростью за определенный промежуток времени.
При отборе проб необходимо получение статистически усредненного
образца. Статистически усредненный образец воздуха можно получить,
прокачивая большие объемы его через специальные фильтры или жидкие
поглотители и затем вымывая абсорбированный загрязнитель специальными растворами.
Иногда фильтры-поглотители могут озоляться или анализироваться
непосредственно (например, нейтронно-активационным методом).
Повышение концентраций загрязнителей воздуха с помощью обычных адсорбентов с целью их последующей десорбции и количественного
определения является подготовительным этапом к газохроматографическому анализу.
При использовании газожидкостной хроматографии для определения
низких концентраций веществ, содержащихся в воздухе, применяют два
основных метода предварительного концентрирования. Согласно первому,
через концентратор пропускают анализируемый воздух в таком количестве, чтобы сорбент был полностью насыщен определяемым веществом.
Чаще всего в этом случае используют охлаждение (жидкий азот, сухой лед
с ацетоном). Этот метод наиболее пригоден для анализа малолетучих веществ. По второму методу анализируемый воздух пропускают через кон-
7
центратор в таком количестве, чтобы наступило равновесие между сорбентом и газовой фазой. Этот метод пригоден главным образом для определения легколетучих веществ в воздухе рабочей зоны [1].
Единство измерений и контроля в экологии
При выполнении измерений атмосферного воздуха, воздуха рабочей
зоны, а также промышленных выбросов объемы измеряемого воздуха приводят к нормальным либо стандартным условиям, при этом значения, принятые за нормальные или стандартные в разных отраслях, могут отличаться.
Стандартные физические условия (ст. у.) — это условия, при которых определены следующие значения температуры и давления:
- температура плюс 25°С или 298,15 К;
- до 1982 года стандартным считалось давление 101 325 Па. После
1982 года IUPAK (Международный союз практической и прикладной хи-
мии) принимает в качестве стандартного давление, равное 105 Па или
100 кПа, что соответствует значению в 750 мм рт.ст., 0,99 физической атмосферы, 1,02 технической атмосферы, 1,00 бар.
Нормальные физические условия (н.у.) – это условия, при которых
- температура 0°С или 273,15 К;
- давление 101 325 Па или 101,325 кПа, что соответствует значению в
760 мм рт.ст., 1,00 физической атмосферы, 1,03 технической атмосферы,
1,01 бар.
Если сравнивают измеренные параметры качества воздуха в различных
местах и различных климатических условиях (при разных значениях
температуры, давления и влажности), то результаты приводят к услови-
ям: давление – 101,3 кПа (760 мм рт.ст); температура – 273 К (0 °С) –
по ГОСТ Р ИСО 8756-2005 «Качество воздуха. Обработка данных по
температуре, давлению и влажности», и эти условия в данной отрасли
именуются «стандартными».
Нормы качества воздуха (ПДК) устанавливаются при условиях в по-
мещении – плюс 20 °С и 760 мм. рт. ст., и в этой отрасли данные условия именуют «нормальными».
Результаты измерений концентраций вредных веществ в воздухе рабо-
чей зоны приводят к температуре 293 К (20°С) и давлению 101,3 кПа
8
(760 мм рт. ст.) для сравнения с ПДКр.з., условия именуются «нормальными».
При расчетах аэродинамических параметров выбросов загрязняющих
веществ объемы отходящих газов, полученные по результатам инстру-
ментальных измерений, должны быть приведены к условиям: 0°С,
101,3 кПа, именуемые в этой отрасли «нормальными».
Международная организация гражданской авиации (ICAO) определя-
ет международную стандартную атмосферу (International Standard
Atmosphere, ISA) на уровне моря с температурой плюс 15 °C, атмосферным давлением 101 325 Па и относительной влажностью 0 %. Эти параметры используется при расчетах движения летательных аппаратов [5].
В РФ действует нормативный документ ГОСТ Р ИСО 8756-2005
«Качество воздуха. Обработка данных по температуре, давлению и влажности», который устанавливает методы корректировки результатов измерений качества воздуха введением поправок на изменения температуры,
давления и влажности за период отбора проб, а также стандартные условия по температуре, давлению и влажности, используемые при представлении результатов.
Обратите внимание, данный стандарт называет «стандартными условиями» те, которые принято рассчитывать как нормальные, и устанавливает, что «для методов измерения качества воздуха считать стандартными следующие условия: давление – 101,3 кПа (Р0); температура – 273 К
(0°С)(Т0)».
Измерения приводят к стандартным условиям, используя следующую
формулу:
где С0 – результат, выраженный в единицах массы на единицу объема воздуха, кг /м3, или количества вещества на единицу объема воздуха, моль/ м3,
при стандартных температуре и давлении;
С1 – результат, выраженный в единицах массы на единицу объема воздуха, кг/м3, или количества вещества на единицу объема воздуха, моль/м3,
при температуре Т1, К, и давлении Р1, кПа;
Р0 – давление 101,3 кПа,
Т0 – температура 273 К (0°С).
9
Способы выражения концентрации веществ в воздухе
Объемная доля – отношение объема данного компонента, содержаще-
гося в системе, к объему всей системы. Объемная доля – относительная
безразмерная величина, которую можно выражать в долях от единицы или
в процентах.
Для системы, состоящей из двух компонентов А и В, сумма объемных
долей веществ равна единице.
(А) + (В) = 1.
Концентрации веществ, загрязняющих атмосферный воздух, обычно
выражаются в мг/м3 или мкг/м3, т. е. как массовая концентрация
где m – масса вещества, найденная в анализируемой пробе, мг или мкг;
V0 – объем исследуемой пробы воздуха, приведенный к нормальным условиям (t = 0оС, P0 = 101325 Па), л
где P – атмосферное давление при отборе пробы, Па;
t – температура воздуха в месте отбора пробы, оС;
V – объем пробы воздуха при температуре t, л.
Иногда содержание веществ в воздухе приводится в виде объемного
соотношения газов: 1 объемная часть на 106 объемных частей или млн-1.
Запись С(СО2) = 6 млн-1, означает, что содержание СО2 в воздухе составляет 6 м3 на 1000 000 м3, или 6 л СО2 на 1000 000 л воздуха. Для пересчета
одних единиц в другие используют следующие соотношения:
где М – молярная масса вещества, г/моль;
Vo – молярный объем вещества при нормальных условиях, равный
22,4 л/моль.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]