Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерения качества окружающей среды. Учебное пособие
.pdf
Для перевода концентрации, выраженной в млн-1 в мг/м3 используется
соотношение
Пример. Выразим концентрацию СО2, равную 6 млн-1 в мг/м3:
С(СО2) мг/м3 =
Выразим концентрацию NO, равную 5,5 млн-1, в мг/м3:
С(NO) мг/м3 = С(NO) млн –1 × M(NO) г/моль / 22,4 л/моль = 5,5 × 30 / 22,4=
= 7,3 мг/м3.
В США, Великобритании и других странах чаще используется концентрация, выраженная в млн-1. В Германии используются оба способа выражения концентрации газообразных веществ [10].
Примеры решения типовых заданий
Задание 1. Рассчитать массу SO2 (г) в воздухе цеха по производству
сульфата аммония, если объем цеха V равен 60 000 м3, а концентрация SO2
равна 0,224 млн –1.
Решение
1) выразим концентрацию SO2, мг/м3:
С = С (млн–1) · M / V0 = 0,224 · 64/22,4 = 0,64 мг/м3;
2) найдем массу SO2 в заданном объеме:
m = C ·V = 0,64 (мг/м3) · 60 000 (м3) = 3,84 · 104 мг = 38,4 г.
Задание 2. При аварии в цехе по производству фенолформальдегидных смол в воздух цеха попало 500 г формальдегида.
Выразите концентрацию формальдегида в воздухе, мг/м3 и млн-1, если объем цеха составляет 150 000 м3.
Решение
1) выразим концентрацию формальдегида в цехе, мг/м3:
С = m·1000/V = 500 · 1000 /150 000 = 3,33 мг/м3;
2) выразим концентрацию формальдегида, млн-1:
С = С (мг/м3) ·V0 / M =3,33 · 22,4 /30 = 2,49 млн-1.
Задание 3. Концентрация СО2 в воздухе крупных городов в среднем
равна 0,04 % (объемных). Выразите концентрацию СО2 в воздухе городов,
млн-1.
11
Решение
1) найдем массу СО2, содержащуюся в 1 м3:
m (СО2) = φ(СО2) · 1000 · М (СО2) / V0 = 0,04 · 1000 · 44 / (100 · 22,4) =
=0,786 г/ м3,
т. е. С (СО2) = 786 мг/м3.
2) найдем концентрацию СО2, млн-1:
С(СО2 в млн-1) = С (мг/м3) · V0 / M (СО2) = 786 · 22,4 /44 = 400 млн-1.
Задание 4. Концентрация СО в воздухе придорожной зоны магист-
ральной дороги с интенсивным движением – 15 млн-1. Какова концентрация СО в воздухе в объемных процентах?
Решение
В 1 000 000 частях воздуха содержится 15 объемных частей СО.
В 100 частях – φ %
φ (СО) = С(млн-1) ·100 / 1 000 000 = 0,0015 %.
Задание 5. Для определения SO2 в воздухе рабочей зоны через погло-
тительный раствор, содержащий 2,5 мл 0,001 М раствора йода и крахмал,
пропустили 10 л воздуха (условия нормальные) до полного обесцвечивания раствора. Рассчитать содержание SO2 в воздухе, мг/м3 и млн-1.
Решение
1) найдем массу SO2, соответствующую 2,5 мл 0,001 М раствора йода, мг:
m (SO2) = V(I2) · C(I2) · M (SO2) = 2,5 · 0,001 · 64 = 0,16 мг;
2) вычислим концентрацию SO2 в воздухе, мг/м3:
С(SO2) = m(SO2) / V = 0,16 мг · 1000 / 10л = 16 мг/м3;
3) выразим концентрацию SO2, млн-1:
С (SO
С (SO
= С (мг/м3) ·V0 / M(SO2),
2)
= 16 · 22,4 / 64 = 5,6 млн-1.
2)
Задания для самостоятельного решения
Задание 1. Для определения пыли в воздухе рабочей зоны через
фильтр пропустили 40 л воздуха (t = 21°C, P = 100 080 Па). Рассчитать
концентрацию пыли в воздухе, если масса фильтра до аспирирования была
равна 0,2021 г, а после аспирирования – 0,2046 г. Сравните содержание
пыли с ПДК в воздухе рабочей зоны.
Задание 2. Для определения фенола в воздухе через поглотительный
раствор (0,8 %-ный раствор Na2CO3) пропустили 50 л воздуха (t = 20 °C,
12
Р = 101000 Па). Построили градуировочный график с использованием
С (мкг/ 50 мл)
2 4 6
8
10 А 0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
стандартных растворов фенола и необходимых для получения фотометрической формы реактивов.
Получили следующие данные:
После соответствующей обработки раствора из поглотительных приборов и фотометрирования получили значение оптической плотности
Ах= 0,17. Рассчитать концентрацию фенола в воздухе (мг/м3 и млн-1), если
объем поглотительного раствора составил 5 мл, а объем анализируемой
пробы – 1 мл. Сравните содержание фенола с ПДК в воздухе рабочей зоны,
населенных мест.
Задание 3. Концентрация СО2 в воздухе придорожной части магист-
ральной дороги в полдень равнялась 987 млн-1. Выразите концентрацию
углекислого газа в объемных процентах. Сравните содержание углекислого газа с ПДК в населенных пунктах (ПДК м.р. и ПДК с.с.).
Задание 4. Для определения SO2 в воздухе рабочей зоны через погло-
тительный раствор, содержащий 5 мл 0,0001 М раствора йода и крахмал,
пропустили 8 литров воздуха (t = 20 °C, P = 101090 Па) до полного обесцвечивания раствора. Рассчитать содержание SO2 в воздухе рабочей зоны.
Сравните содержание сернистого ангидрида с ПДК в воздухе рабочей зоны.
Задание 5. Для определения СО2 в воздухе помещения через поглоти-
тельный раствор, содержащий 10 мл 0,001 М Na2CO3 и фенолфталеин,
пропустили до полного обесцвечивания раствора 10,5 л воздуха (t = 20 °C,
P=101 000 Па). Рассчитать содержание СО2 в воздухе, млн-1, мг/м3, и объ-
емных процентах. Сравните содержание диоксида углерода с ПДК в воздухе рабочей зоны.
Задание 6. До начала занятий в аудитории объемом 1200 м3 концен-
трация диоксида углерода равнялась 0,04 % (объемных). Рассчитать концентрацию СО2 в воздухе помещения (млн-1, мг/м3 и %, об.) через час пребывания в нем при закрытых окнах и дверях 25 студентов, если учесть, что
за 1 час среднестатистический человек выдыхает 22,6 л диоксида углерода
(условия нормальные). Сравните содержание диоксида углерода с ПДК в
воздухе рабочей зоны.
13
Задание 7. На титрование йода, выделившегося после соответствую-
щей обработки поглотительного раствора для улавливания кислорода, через который пропустили 50 мл воздуха (условия нормальные), израсходовали 15,6 мл 0,05 М раствора тиосульфата натрия. Вычислить концентрацию кислорода в объемных процентах в анализируемом воздухе.
Контрольные вопросы
1. В чем отличие стандартных физических условий от нормальных?
2. Как рассчитывается объемная доля компонента в системе?
3. Дайте определение массовой концентрации вещества.
4. Как привести объем исследуемой пробы воздуха к нормальным условиям?
5. Как перевести концентрацию, выраженную в млн-1, в мг/м3?
6. Как перевести концентрацию, выраженную в мг/м3, в млн-1 ?
14
Практическая работа № 2.
Аппаратура для отбора проб воздуха и воды
Цель работы: получить практические навыки работы с аппаратурой
для отбора проб воздуха и воды.
Теоретическая часть
Виды пробоотбора и требования к ним
Отбор проб («пробоотбор») является очень существенным этапом в
технологическом цикле экоаналитического контроля, так как результаты
даже самого точного (и дорогостоящего) анализа теряют всякий смысл при
неправильно проведенном пробоотборе. Ошибки, возникающие вследствие неправильного отбора проб, в дальнейшем исправить, как правило,
не удается. Поэтому достоверность и точность последующего анализа в
значительной степени зависят от правильности выбора способа и тщательности проведения отбора проб.
Для получения достоверной и надежной информации о содержании
загрязняющих веществ (далее – ЗВ) пробоотбор должен осуществляться
так, чтобы анализируемые образцы были «репрезентативными» (представительными) для природных объектов. Репрезентативной (от англ.
representative - представительный, показательный) считается такая проба,
которая в максимальной степени характеризует качество среды по анализируемому показателю, является типичной и не искаженной вследствие
концентрационных и других факторов. Представительными принято считать такие пробы, в которых содержание определяемых ингредиентов не
изменяется при отборе проб, их хранении и транспортировке к месту анализа. Иными словами, отношение матрицы к анализируемым компонентам
(ингредиентам) должно оставаться постоянным как в общей массе исходного материала, так и во взятой пробе. Хотя в реальных условиях изменение состава матрицы во времени весьма вероятно, например, из-за переменного состава воды в реке или флуктуации состава дымовых газов
промышленных предприятий или автотранспорта [4,6].
Биологические процессы, протекающие в живых организмах, также
обусловливают их переменный состав, отражающийся на достоверности
контроля загрязненности внутренней среды изучаемых организмов.
15
Изменения концентраций составных частей матрицы происходят также и в
образцах свежих продуктов питания. При этом химические превращения
даже одного компонента образца пробы могут приводить к изменению относительных концентраций ЗВ и, следовательно, к неправильным результатам анализа.
Иногда (при очень низких концентрациях ЗВ в среде) в процессе отбора проб определяемое вещество приходится отделять от матрицы с целью его концентрирования. В этом случае преднамеренно не выполняется
общее требование о постоянстве соотношения компонентов матрицы и
анализируемого вещества во время пробоотбора. Обогащение пробы, концентрирование определяемого ЗВ необходимы при отборе проб воздуха,
реже – воды, но не могут быть рекомендованы для матриц сложного и неизвестного состава (например, почв).
Выбор способа отбора пробы должны проводить опытные, квалифицированные работники, лучше всего те, которые несут ответственность за
последующий анализ и оценку его результатов.
Общие принципы и правила проботбора:
– проба, взятая для анализа, должна отражать типичные условия места и времени ее взятия;
– отбор пробы, а также последующие хранение, транспортировка,
пробоподготовка и аналитическая работа с ней должны проводиться так,
чтобы не произошло заметных изменений в содержании определяемых
компонентов или в свойствах содержащей ее среды (тары).
Соответственно цели анализа применяют разовый или серийный
пробоотбор. При разовом отборе пробу берут один раз в определенном
месте и рассматривают результат одного анализа. Этот способ применяется, когда результатов одного анализа достаточно для суждения о качестве
исследуемой среды (при постоянстве ее свойств, например, в глубинных
грунтовых водах или в случае первичных полевых оценок). В серийном
отборе проб каждая проба берется в связи с остальными. При анализе серии проб определяется изменение содержания наблюдаемых компонентов
с учетом их места нахождения, времени отбора или обоих этих факторов.
В результате получают соответствующее количество результатов, которые
статистически обрабатывают и оценивают. Полученные данные являются
16
более правильными по сравнению с результатами разового отбора, а их
точность зависит от числа проб в серии.
Типичным примером серийного отбора проб является зональный отбор. При нем пробы, например, воды отбирают с различных глубин по выбранному створу водоема. Другой вариант – серийный отбор через определенные промежутки времени.
Особый тип серийного отбора представляют так называемые «согла-
сованные пробы», которые отбирают в различных местах по течению реки
или сточных вод с учетом времени прохождения воды от одного пункта до
другого.
Пробы подразделяются на простые и смешанные. Простую пробу
получают путем однократного отбора всего требуемого количества образца анализируемой среды. Анализ простой пробы дает сведения о составе
среды в данный момент в одном месте. Смешанную пробу получают, объединяя простые пробы, взятые в одном и том же месте через определенные
промежутки времени или отобранные в различных местах обследуемого
объекта. Такая проба должна характеризовать средний состав среды или
усредненный по времени состав или, наконец, «перекрестный» средний
состав с учетом как места, так и времени. Ее получают смешением равных
частей простых проб, взятых через равные промежутки времени в таком
количестве, чтобы окончательный объем смешанной пробы соответствовал
требованиям анализа. Однако этот простой способ пригоден только в том
случае, если все точки исследуемого объекта равноценны, а его динамика
равномерна.
Если же это не так, то готовят среднюю пропорциональную пробу из
различных объемов (количеств) проб, взятых через равные промежутки
времени, или же из равных объемов проб, взятых через разные интервалы
времени, но таким образом, чтобы их объем или число соответствовали
местным колебаниям (изменениям) изучаемых свойств. Средняя проба тем
точнее, чем меньше интервалы между отдельно взятыми составляющими
ее пробами. Наилучший результат усреднения можно получить, автоматизируя непрерывный отбор проб.
Смешанную пробу не рекомендуется отбирать за период времени,
превышающий сутки. Ее нельзя применять при определении компонентов
или характеристик среды, легко подвергающихся изменениям (например,
17
для воды – растворенные газы, рН и т. п.). Такие определения делают в каждой составляющей пробы отдельно. Также смешанную пробу нельзя составлять и в том случае, если характер среды резко меняется во времени
или так, что отдельные составляющие пробы вступают во взаимодействие
или изменяется их физическое состояние и т. д. [4].
Отбор проб воздуха
Отбор проб воздуха считается наиболее трудным, так как в этом случае очень часто приходится использовать специальные (причем иногда
весьма сложной конструкции) поглотительные сосуды (многие из них названы именами их изобретателей, например, Зайцева, Яворовского, Полежаева, Рихтера и др.), а также различного рода технические устройства –
побудители и измерители расхода воздуха для активной дозиметрии (аспирации) и др.
Аспирационное поглощение ЗВ за счет абсорбции примесей растворами (барботирование воздуха через жидкий поглотитель) относится к одному из наиболее часто применяемых способов и позволяет использовать
высокие скорости пробоотбора (до 30–50 л/мин). Преимуществами способа
являются его относительная простота и экономичность, а также возможность для последующего определения брать аликвотную часть поглотительного раствора. Недостатками являются невысокие коэффициенты
(степени) концентрирования и невозможность получения представительной пробы при одновременном наличии в воздухе паров анализируемых
веществ и их аэрозолей. Кроме того, при отборе больших объемов воздуха
для анализа следов суперэкотоксикантов существенно возрастает систематическая погрешность, связанная с испарением поглотительного раствора
или с потерей (обратным уносом) целевых компонентов (ЗВ) из-за высоких
скоростей аспирирования (аспирации). Для снижения данной погрешности
в случае пробоотбора, например, хлорированных органических пестицидов
(ХОП) применяют «суперрастворители» – диметилформамид (ДМФА), диэтилацетамид (ДЭАА) и др. Для извлечения хлорированных углеводородов
и фосфорорганических пестицидов из воздуха также часто применяют раствор этиленгликоля в глицерине [4].
Поскольку в воздухе индустриальных районов и производственных
помещений обычно содержится несколько сотен соединений разных классов,
18
находящихся в различных агрегатных состояниях, то универсального способа
пробоотбора не существует. Наибольшие трудности возникают при отборе
проб органических супертоксикантов, так как основная часть их находится в
воздухе одновременно в газообразной и аэрозольной фазах, а кроме того, они
содержатся в очень низких («следовых») концентрациях. В связи с этим
обычно применяются для отбора проб воздуха одновременно сорбенты (для
газообразной фазы) и фильтры (для аэрозольной составляющей).
В последнее время для отбора паровой (газовой) фазы путем аспирации стали использоваться «модифицированные» сорбенты (их еще называют «молекулярными щетками»), в которых на твердую фазу (сорбентноситель) нанесена или химически с ней связана неподвижная жидкая фаза
(сорбент-модификатор). Такие сорбенты эффективны для пробоотбора высококипящих ЗВ – хлорированных органических соединений (ХОС), полиароматических углеводородов (ПАУ), полихлорированных бифенилов
(ПХБ) и др. При этом сорбция примесей ЗВ происходит за счет растворения и ориентации молекул определяемых органических соединений в тонком слое жидкой фазы, что и обеспечивает более высокую эффективность
абсорбции на твердый сорбент. Так, если степень извлечения хлор- и фосфорсодержащих углеводородов на обычных сорбентах (активированный
уголь, силикагель, оксид алюминия и др.) не очень велика (30–80 %), то на
современных сорбентах, модифицированных жидкой фазой, можно сорбировать из воздуха до 95–100 % указанных соединений. Этот способ еще
называют «комбинированным», так как он сочетает в себе и адсорбцию на
твердых сорбентах, и абсорбцию в тонких слоях жидкого модифицированного сорбента-поглотителя.
Еще более эффективно примеси обычно с большим трудом улавливаемых органических суперэкотоксикантов удается извлекать с помощью
метода криогенного концентрирования (КК), основанного на их вымораживании при температурах более низких, чем температура их кипения.
Отбор проб сводится к пропусканию воздуха через охлаждаемую ловушку
(конденсатор) с достаточно большой («развитой») поверхностью поглощения (трубки со стекловатой и др.). В качестве хладагентов используют
жидкий азот или твердую углекислоту.
Иногда охлаждаемые ловушки заполняют сорбентом, и в этом случае
(при сочетании криогенного концентрирования и адсорбции) удается дос-
19
тичь 1000-кратного и более концентрирования определяемых компонентов. Ценность метода КК определяется не только его высокой эффективностью, но и возможностью извлечения таких примесей, которые при обычной температуре могут взаимодействовать с материалом ловушек, делая
пробоотбор вообще невыполнимым. Однако при КК возможна конденсация водяных паров, что может приводить к образованию в ловушках ледяных пробок. Частично от последнего недостатка иногда удается избавиться, применяя предварительное осушение воздуха при его пропускании через «насадочные патроны» с молекулярными ситами (чаще всего с универсальным марки МС ЗА). Однако в большинстве случаев данный метод
применяется не на стадии пробоотбора, а на стадии пробоподготовки образца к анализу [4,6].
Отбор проб воды
Отбор проб воды должен соответствовать требованиям ГОСТ
17.1.5.04-81 «Охрана природы (ССОП). Гидросфера. Приборы и устройства для отбора, первичной обработки и хранения проб природных вод.
Общие технические условия (с Изменением № 1)». По режиму работы
приборы и устройства пробоотбора подразделяют (как и средства анализа)
на автоматические, полуавтоматические и ручные. К ручным относятся
специальные емкости (склянки) или приспособления (батометры), помещаемые в водный объект на определенную глубину [6].
Поверхностные пробы воды можно брать прямо в бутыль, которую
при необходимости прикрепляют к шесту или, снабдив дополнительным
грузом и обвязав веревкой, спускают в водоем. Это классический метод
ручного пробоотбора. В зависимости от определяемого вещества ручной
проботбор имеет разновидности: например, для последующего определения растворенного кислорода или сероводорода в воде весьма важно, чтобы ее проба при взятии была защищена от контакта с атмосферным воздухом. Для этого воду из пробоотборника переливают в бутыль не сверху,
через горловину, а через сифонную трубку – снизу (резиновый шланг и воронка с удлиненным концом), опущенную до дна бутыли. После наполнения последней воду продолжают наливать так, чтобы она перетекала через
край. Бутыль закрывают пробкой, не оставляя в ней пузырьков воздуха.
Способы и условия пробоотбора воды в зависимости от особенностей водного объекта также могут изменяться:
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]