Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды. Монография
.pdf
Ниже кратко рассмотрим ряд других широко распространенных
понятий и терминов метрологии и измерительной техники, которые в
той или иной степени будут использованы нами в последующих разделах книги.
Метрология (от гр. metron – мера, logos – наука) – научная дисциплина об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В этом определении необходимо уточнить смысл двух важных
понятий: единство и точность измерений. Под единством измерений понимаются
такие измерения, результаты которых выражены в стандартных (узаконенных) единицах, причем погрешность измерений не должна выходить за установленные границы с заданной вероятностью. Точность измерений – это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.
Измерение – это совокупность экспериментальных и вычислительных операций,
осуществляемых с использованием технических (инструментальных) средств для
определения значения физической величины, характеризующей тот или иной объект
(процесс, явление). Процесс измерения предусматривает сравнение измеряемой физической величины с мерой, принятой за единицу измерения. По способу получения
измерительной информации методы измерений подразделяются на прямые и косвенные. В ходе прямых измерений результаты получаются непосредственно из измерений самой физической величины, а при косвенных измерениях – на основании
известных зависимостей между измеряемой величиной и величинами, определяемыми путем прямых измерений. По характеру изменения измеряемой величины
могут быть статические (измеряемые величины не меняются в процессе измерения)
и динамические (связаны с величинами, которые в процессе измерений изменяются).
Измерения проводятся в соответствии с соответствующими методиками, которые,
как правило, подвергаются процедуре аттестации.
Методика выполнения измерений – это совокупность операций, приемов, правил, обеспечивающих получение результатов измерений с известной погрешностью.
Методика выполнения измерений регламентируется нормативно-техническим документом, в котором излагаются порядок и последовательность используемых операций, включая обработку результатов измерений.
Результат измерения всегда содержит определенную погрешность, обусловленную многочисленными причинами. Численное значение погрешности выражают в
абсолютных и относительных единицах. Абсолютная погрешность выражается в
единицах измеряемой физической величины, а относительная погрешность – в виде
отношения абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины,
которое часто выражается в процентах. Принято различать систематическую и случайную погрешности. Систематические погрешности даже при многократных измерениях сохраняются постоянными или изменяются в соответствии с определенной
закономерностью. Случайные же погрешности неопределенны по величине и природе; они учитываются (минимизируются) путем повторных измерений и обработкой полученных данных статистическими методами. В отсутствии систематических
погрешностей оценка величины случайной погрешности осуществляется нахождением величин средней арифметической и средней квадратичной погрешностей.
Нормальное распределение случайных погрешностей определяется по формуле Гаусса, из которой следует, что с уменьшением σ увеличивается частота появления
71
малых погрешностей, а число больших погрешностей уменьшается. Нормальный
закон распределения занимает центральное место в теории вероятностей. Это обусловлено тем, что этот закон проявляется во всех случаях, когда случайная величина
является результатом действия большого числа различных факторов. В математической статистике и теории вероятности известны также и другие виды распределения
случайных погрешностей.
Измерения осуществляются с использованием технических средств (устройств,
приборов, систем и др.). Простейшими измерительными средствами являются приборы (устройства), обеспечивающие получение преимущественно одномерной измерительной информации в результате прямых измерений (например, температуры, массы
и т.п.). Измерительные комплексы представляют собой совокупность функционально
объединенных измерительных приборов, модулей и других технических средств, а
также устройств приема, преобразования и обработки измерительной информации.
Измерительные системы – это многофункциональные иерархические системы,
включающие различные измерительные комплексы, ориентированные на решение
проблемных задач с целью получения многомерной измерительной информации о
контролируемом объекте (процессе).
Обратим также внимание на еще один термин, приведенный в ГОСТ 8.437–81
«Системы информационно-измерительные» (ИИС), который достаточно широко
используется на практике и устанавливает основные положения метрологического
обеспечения ИИС на стадиях их разработки, производства и эксплуатации. Информационно-измерительная система – это совокупность функционально объединен
измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств
для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью
представления потребителю (в том числе ввода в АСУ) в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.
Отметим также, что при решении подавляющего большинства практических задач, связанных с измерениями параметров и характеристик веществ (материалов,
изделий), технологических процессов и других объектов, важную роль играет законодательная метрология. В России государственным органом, осуществляющим
функции в области технического регулирования и метрологии, является Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (бывший Госстандарт
РФ). Международной организацией по стандартизации является International
Organization for Standardization (ISO), которая выпускает стандарты и занимается
проблемами сертификации. Любопытным является тот факт, что при выборе ее названия учитывалась необходимость того, чтобы аббревиатура организации звучала
одинаково на всех языках. Было решено использовать для этого слово из греческого
языка ισος – равный, благодаря чему на всех языках мира Международная организация по стандартизации имеет краткое название ISO. Появление ISO 14000 – серии
международных стандартов систем экологического менеджмента на предприятиях и
в компаниях – называют одной из наиболее значительных международных природоохранных инициатив. Одним из основных требований этого стандарта состоит в том,
что компания (предприятие) должна выработать экологическую политику – специальный документ о намерениях и принципах организации, который должен служить
основой для действий организации и определения экологических целей и задач.
Экологическая политика должна соответствовать масштабу, природе и экологиче-
ных
72
ским воздействиям, создаваемым деятельностью, продуктами и услугами компании.
Экологическая политика, среди прочих, должна содержать заявления о стремлении к
соответствию нормативам, а также к постоянному улучшению (continual
improvement) системы экологического менеджмента и к предотвращению загрязнений (pollution prevention). Документ должен быть доведен до сведения всех сотрудников организации и быть доступным общественности.
В нашей стране действует система аккредитации аналитических лабораторий
(центров) – ассоциация «Аналитика», созданная по инициативе ее нынешнего президента чл.-корр. РАН, докт. хим. наук, проф. Ю.А. Карпова. Юрий Александрович
Карпов – заведующий кафедрой сертификации и аналитического контроля НИТУ
«МИСиС», является одним из ведущих российских ученых в области химии и технологии получения и контроля веществ и материалов высокой степени чистоты.
Ассоциация «Аналитика» активно сотрудничает с международными организациями, входит в состав Международного комитета по единству измерений в аналитической химии, а с 2004 г. Ассоциация является аффилированным членом Международного комитета по аккредитации лабораторий. Термин «аффилированное лицо»
(от англ. affiliate – присоединять, соединять, связывать) широко используется в
российском законодательстве, взят из англо-американского права и обозначает лиц,
находящихся в состоянии той или иной зависимости друг от друга. Аффилированные лица – физические и юридические лица, способные оказывать влияние на деятельность юридических и (или) физических лиц, осуществляющих предпринимательскую деятельность.
В Ассоциацию входит более 100 лабораторий отраслевых и академических институтов, вузов, организаций Ростехрегулирования, предприятий различных форм
собственности и зарубежных фирм. Главными направлениями работы являются:
участие в формировании и функционировании отечественной системы аккредитации
аналитических лабораторий; создание современной базы нормативной документации по аналитическому контролю; стимулирование развития отечественных аналитических лабораторий и производителей аналитических приборов; оказание им информационной и консультационной помощи; гармонизация деятельности российских лабораторий с международной практикой. Ассоциация ведет реестр аккредитованных лабораторий, количество которых превысило пять тысяч, проводит работу
по признанию российских аналитических лабораторий за рубежом.
Далее уместно вспомнить великого ученого-энциклопедиста
Карла Фридриха Гаусса, при упоминании именикоторого студенческие аудитории вместе с преподавателями в естественном порыве
вставали с мест, подчеркивая тем самым (и таким образом) заслуги
этого ученого в различных областях науки.
Портрет ученого. Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) – выдающийся немецкий
ученый. Автор нормального закона распределения и метода наименьших квадратов,
Он сделал много открытий в математике, физике, астрономии. Трех лет от роду он
уже умел считать и выполнять элементарные вычисления. Однажды, в расчетах своего отца, который был водопроводным мастером, трехлетний сын заметил ошибку в
вычислениях. Расчет был проверен и число, указанное мальчиком, было верно.
В 1791 г. Гаусс в качестве одаренного молодого горожанина был представлен госу-
73
дарю. Видимо, юноша произвел впечатление на герцога, тот для начала пожаловал
Гауссу стипендию в 10 талеров в год. В 1792–1795 гг. Гаусс был учеником новой
гимназии – Коллегии Карла. За время учебы Гаусс изучил работы Ньютона, Алгебру
и Анализ Эйлера, работы Лагранжа. Первый успех пришел к Гауссу, когда ему не
было еще девятнадцати – доказал, что можно построить правильный 17-угольник
с помощью циркуля и линейки. Первой же крупной работой будущего великого математика стали «Арифметические исследования». С 1807 г. и до самой смерти
К.Ф. Гаусс был ординарным профессором Геттингенского университета.
В геометрии поверхностей К.Ф. Гаусс впервые начал изучать внутреннюю геометрию, не зависящую от вложения в пространства. Он указал некоторую характеристику поверхности (гауссову кривизну), которая не изменяется при изгибаниях,
тем самым заложив основы римановой геометрии. К.Ф. Гаусс был тем, кто построил
неевклидову геометрию, но был вынужден держать свои исследования в секрете
(вероятно, из-за того, что они шли вразрез с «обожествлением» евклидова пространства в доминирующей в то время Кантовской философии). Чуть позже, неевклидова
геометрия была заново открыта Лобачевским.
2.2. Объекты исследования и номенклатура
загрязнений
Рассмотрим загрязнения, подлежащие контролю в природных
средах, начиная от объектов и территорий локального уровня и кончая экосистемами глобального масштаба. Обратимся вначале к истокам – в данном случае к элементарным сведениям из химии, связанным с характеристикой понятия вещество, о том, какие вещества
известны в настоящее время химической науке и какие из них представляют опасность для биосферы, жизнедеятельности животного и
растительного мира. Не лишним будет вновь напомнить содержание
термина загрязнение, загрязняющее вещество. Здесь позиция автора
неизменна: наиболее точным является определение, предложенное
экспертами ООН. Загрязнение – это экзогенные (от греч. снаружи,
вне + рожденный, т.е. внешнего происхождения) химические вещества, встречающиеся в ненадлежащем месте, в ненадлежащее время и в ненадлежащем количестве. Единственной оговоркой может
быть лишь только то, что к загрязнениям природной среды относятся
не только химические загрязнения, но и биологические, радиоактивные и другие виды загрязнений.
В настоящее время науке известно: 112 химических элементов,
примерно 400 простых веществ, состоящих из двух различных атомов (например вода – H
неорганических соединений. В 2010 г. таблица Менделеева пополнилась 112 элементом, названным коперникий (Cp) в честь великого
O) и более n·106 различных органических и
2
74
польского ученого и мыслителя Николая Коперника, предложившего
в XVI в. гелиоцентрическую картину мира. Это официальное имя 112
элементу присвоено и утверждено Международным союзом по теоретической и прикладной химии – International Union of Pure and
Applied Chemistry (IUPAC), а первооткрывателями являются ученые
центра имени Гельмгольца по исследованию тяжелых ионов
(г. Дармштадт, Германия).
Выделим сразу группу биофильных элементов – это так называе-
мые элементы жизни, которые делятся на макробиогенные (H, C, N,
O, Cl, Br, S, P, Na, K, Mg, Ca) и микробиогенные (V, Mn, Fe, Co, Cu,
Zn, B, Si, Mo, F).
Из числа химических элементов опасными для человека и окружающей среды являются ртуть, хлор, а также радиоактивные элементы (торий, уран, радон), а из числа простых веществ – монооксид
углерода, оксиды серы, азота, газообразные фториды (НF), хлориды
(HCl) и др. Большинство загрязняющих веществ, представляющих
опасность для живой природы и человека – органические и неорганические соединения антропогенного (техногенного) происхождения, а некоторые из их числа – ксенобиотики.
Качество окружающей среды характеризуется нормативами ПДК –
предельно допустимыми концентрациями загрязняющих веществ.
В РФ такие нормативы установлены примерно для 100 веществ в
воздухе, 1400 – в водных объектах и более 100 – в почвах [15]. Вместе с тем одним из важных понятий санитарно-гигиенического
нормирования является токсичность. Под токсичностью (от греч.
toxikon – яд) понимается способность тех или иных веществ вызывать нарушения физиологических функций организма человека, что
в свою очередь приводит к заболеваниям или гибели. Степень токсичности вещества характеризуется величиной дозы, т.е. количеством, отнесенным к единице массы животного или человека, вызывающим определенный токсический эффект. Очевидно, что чем
меньше доза, тем выше токсичность. По данным Всемирной организации здравоохранения в различных отраслях промышленности и
в быту используется примерно 500 тыс. органических и неорганических веществ, из числа которых более 40 тыс. вредны для здоровья, а около 12 тыс. – токсичны.
В настоящее время можно говорить о глобальном загрязнении
среды обитания человека, животного и растительного мира.
75
Н.Ф. Реймерс в монографии (см. [7], глава 1) следующим образом
характеризует общую картину загрязнения:
– изменение климата (геофизики) Земли вследствие усиления парникового эффекта, выбросов метана и других малых газовых примесей, аэрозолей, легких радиоактивных газов; изменение концентрации озона в тропосфере и стратосфере;
– загрязнение околоземного космического пространства и образование так называемого «космического мусора»;
– общее ослабление стратосферного озонового экрана, образование «озоновых дыр»;
– загрязнение атмосферы с образованием кислотных осадков, особо вредных веществ в результате вторичных физико-химических реакций, в том числе фотохимических;
– загрязнение Мирового океана нефтепродуктами, тяжелыми металлами, органическими соединениями, подкисление мелководий за
счет загрязненной атмосферы (оксидами серы и азота), захоронения в
его водах ядовитых и радиоактивных веществ;
– истощение и загрязнение поверхностных вод суши, подземных вод;
– радиоактивное загрязнение локальных участков и отдельных регионов;
– накопление на поверхности суши ядовитых и радиоактивных
веществ, бытовых и промышленных отходов;
– изменение геохимии отдельных регионов (за счет миграции, например, тяжелых металлов);
– ухудшение качества природной среды в городах и сельской ме-
стности, загрязнение в
оздуха выбросами промышленности и транс-
портных средств.
Видно, что объектами контроля (мониторинга) являются практически все (в пределах границ биосферы) природные и природноантропогенные объекты: различные слои атмосферы – от ее приземного слоя до озоносферы, вся гидросфера (Мировой океан, внутрен-
ние моря, реки, озера и др.), верхний слой литосферы (почвы, земли
различного назначения).
Потоки органических и неорганических веществ естественного и
антропогенного происхождения огромны. Основными природными
источниками поступления загрязнений в окружающую среду являются извержения вулканов, лесные пожары, выветривание горных
пород и почв, песчаные бури и другие постоянно и периодически
действующие естественные процессы и явления.
76
Антропогенные источники более многообразны как по видам и
мощности выбросов, так и по периодичности действия и географическому их распределению: различные виды транспорта (в первую очередь, автотранспорт), предприятия топливно-энергетического комплекса, промышленного и сельскохозяйственного производства, горнодобывающие отрасли, стройиндустрия, объекты военно-промышленного и ракетно-космический комплекса и т.п.
В настоящее время химическое загрязнение окружающей природной среды приобретает угрожающий характер и может привести к
необратимым процессам в экосистемах на региональном уровне и в
глобальных масштабах. В атмосферу, гидросферу и почвы в результате антропогенной деятельности поступают десятки тысяч наименований органических и неорганических веществ, выбрасываемых различными производствами. Особую опасность представляют вещества, образующиеся в высокотемпературных технологических процессах в металлургии, химии, при сжигании отходов и др.
На рис. 2.1 в схематическом виде приведены возможные изменения в биологических системах при поступлении опасных загрязняющих веществ в зависимости от времени [16].
Рис. 2.1. Возможные изменения в биологических системах при
поступлении опасных загрязняющих веществ в зависимости
от времени
77
Таблица 2.1
Выбросы газообразных веществ в атмосферу, млн т/год
Вещество Природные источники Антропогенный выброс
SO2 20 150
СН4 1600 110
NOx 700 53
NH3 1200 7
CH 2600 90
CO 3800 500
CO2 600 000 22 000
В работе [17] приводится перечень химических элементов (металлов),
потенциально опасных для окружающей природной среды. Этот перечень
включает следующие элементы: литий, бериллий, алюминий, ванадий,
хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, стронций, молибден,
серебро, кадмий, олово, сурьма, цезий, ртуть, свинец, уран, плутоний.
Указанные химические элементы, а также и радионуклиды, попадая в окружающую среду, образуют весьма устойчивые органические
и неорганические соединения и могут лишь накапливаться, перераспределяться между атмосферой, гидросферой и литосферой и вовлекаться тем самым в различные биогеохимические реакции (циклы).
В воздушной среде тяжелые металлы присутствуют либо в виде
паров (ртуть), либо в газоаэрозольном состоянии (в форме различных
органических и неорганических соединений). Экспериментальные
исследования атмосферных загрязнений в городах и индустриальных
центрах показывают, что аэрозоли промышленных и автотранспортных выбросов представляют собой частицы микронного и субмикронного размеров, содержащие микропримеси таких металлов, как
свинец, кадмий, цинк, никель и др.
В водных объектах примеси металлов антропогенного происхождения находятся в виде взвесей, коллоидной и растворенной формах,
а в поверхностном слое почв – в виде водорастворимых и обменных
форм, называемых подвижными формами.
Основными веществами, загрязняющими различные слои атмосферы, являются оксиды углерода, серы и азота, углеводороды и
твердые взвешенные частицы [18] (табл. 2.1).
Видно, что по большинству загрязняющих веществ антропогенный выброс существенно уступает мощности естественных источников их поступления (исключение составляет лишь диоксид серы).
Однако опасность роста антропогенной составляющей выбросов состоит в том, что она приходится в основном на урбанизированные
территории, где проживает большая часть населения Земного шара.
78
Аналогичная картина и с загрязнением воздушной среды взвешенными частицами (пыли, сажевого аэрозоля). В атмосферу планеты их поступает порядка 2,2·10
цессов (извержение вулканов, лесные пожары, эрозия почв и др.) и
9
0,4·10
т/год – в результате антропогенной деятельности. Взвешен-
9
т/год в результате естественных про-
ные в атмосфере частицы имеют достаточно сложный дисперсный и
компонентно-концентрационный состав. В частности, в выбросах
автотранспортных средств – основного загрязнителя урбанизированных территорий – твердые взвешенные частицы представляют собой
сажевый аэрозоль с размерами частиц порядка 0,04…0,5 мкм и содержат различные органические вещества.
В табл. 2.2 приведены обобщенные данные о содержании химических элементов в атмосфере различных регионов (континентов,
стран) планеты [19]. Представленные цифры иллюстрируют устойчивую тенденцию роста концентрации тяжелых металлов (кадмия,
свинца, хрома, меди и др.) антропогенного происхождения.
Таблица 2.2
Концентрация химических элементов в атмосфере
Элемент
Al* 0,32...0,81 240...380 160...2900 40...10600 600...2330 460...15000
As* 0,007 – 1,5...53 0,3...120 2...40 –
Be* – – 0,9...4 5...100 0,1...0,3 –
Cd* 0,015 0,003...0,63 0,5...620 0,5...43 1...41 –
Cr* 0,003...0,01 0,6...0,8 1...140 1,3...167 5...1100 1...8
Cu* 0,03...0,06 ... 8...4900 11...200 3...153 30...180
Mn* 0,004...0,02 2,8...4,5 9...210 5,3...680 60...900 4...330
Ni* – – 4...120 1...150 120 ...
Pb* 0,19...1,2 15...22 120...5000 19...1810 45...13000 11...344
Sb* 0,001...0,003 0,9...45 2...51 0,13...63 1...55 1...24
Sn* – – 1,5...800 – 10...70 –
Ti* – – 22...210 5...690 10...230 –
Zn* 0,002...0,051 18...41 550...16000 14...6800 88...741 25...1358
Co** 0,1...1,2 70...150 390...6790 44...6000 130...2200 120...360
Cs** – – 60...1500 16...1500 70...300 –
Hg** – 40...80 170...11200
Sс** 0,06...0,21 30...40 30...700 5...1300 80...3000 60...3000
Sе** 4,2...8,2 170...360 150...11000 160...21000 60...30000 50...1530
Th** 0,00...0,008 20...40 30...1000 16...1300 50...1300 30...1050
U** – – 20 –
_________
Южный
полюс
*
нг = 10–9 г/м3.
**
пг = 10
–12
г/м3.
Гренлан-
дия
Германия Япония
1600 70...3800 70...690
Северная
Америка
<500
Южная
Америка
–
79
Формирование полей загрязнения атмосферы из природных и антропогенных источников в значительной степени зависит от физических характеристик загрязнителей [11]. Анализу возникающих здесь
задач посвящены разделы физики облаков и осадков, где детально
изучаются механизмы протекания микрофизических и макрофизических процессов образования и роста облаков загрязнителей. Эти процессы определяются сочетанием физических параметров самой атмосферы и загрязнителей, которые имеют широкий диапазон изменения
таких характеристик, как вес, размер, форма, фазовое состояние и
электрический заряд. Принятая Агентством по охране окружающей
среде США классификация загрязнителей атмосферы включает три
базовых класса и восемь подклассов (табл. 2.3). Существующая классификация частиц по размерам охватывает диаметры частиц от
0,0001 мкм до 1 см. В рамках этого диапазона твердые частицы с
диаметрами от 0,0001 до 1 мкм, рассматриваются как компоненты
дыма, жидкие частицы являются элементами тумана. Частицы, превышающие в диаметре 1 мкм интерпретируются как пыль или брызги. В зависимости от размера меняется и роль частиц в динамических
процeccax атмосферного загрязнения. Частицы размерами менее
1 мкм образуют смог, десятки микрон – облака и туман, сотни микрон – дымку и изморось, тысячи микрон – дождь. В табл. 2.4 приведена сводка некоторых типичных аэрозолей с их характеристиками.
Такая классификация упрощает выбор структуры модели, если определен характер процесса загрязнения атмосферы.
Таблица 2.3
Классификация загрязнителей атмосферы
Основные классы Подклассы Характерные вещества
Оксиды азота Диоксид азота, азотная кислота
Неорганические
газы
Органические
газы
Аэрозоли
Оксиды серы Диоксид серы, серная кислота
Другие неорганиче-
ские соединения
Углеводороды
Альдегиды, кетоны Кислота, спирт
Другие органиче-
ские соединения
Твердые частицы Пыль, дым
Жидкие частицы
Аммиак, диоксид углерода, хлорин,
фторид водорода, сульфиды, озон
Бензин, бутадиен, этилен, изооктан,
метан, ацетон, формальдегид
Хлорированные углеводороды, ПАУ
Пары, нефтяной туман, продукты ре-
акций с полимерами
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]