Тема 3. Приборы для оценки загрязнения окружающей среды (2 часа)

Цель занятия: Усвоение предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ, ознакомление с используемыми методами и приборами контроля загрязнения атмосферы, овладение навыками работы на приборах.

Вопросы, подлежащие изучению:

1.Усвоение сведений об основных веществах, загрязняющих атмосферу, источниках их образования, характере токсичности.

2.Усвоить значения ПДК наиболее распространенных вредных веществ в воздухе и различия ПДК для человека и для растений.

3.Ознакомиться с методами контроля загрязнений.

4.Изучить устройство, принцип работы, порядок работы с приборами, основанными на различных методах регистрации химических и биологических загрязнений.

1. По мере развития промышленности, энергетики, средств транспорта антропогенное загрязнение биосферы непрерывно нарастало. Экологический кризис осложняется экспоненциальным ростом народонаселения планеты и его урбанизацией.

Атмосфера всегда содержит определенное количество примесей, поступающих от естественных и антропогенных источников. К примесям, поступающим от естественных источников, относятся: пыль, туман, дымы и газы от пожаров, газы вулканического происхождения, различные продукты растительного, животного и микробиологического происхождения и др. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.

Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов и многочисленностью источников. Использование практически всех химических элементов существенно сказалось на составе промвыбросов и привело к качественно новому загрязнению атмосферы, в частности, аэрозолями тяжелых и редких металлов, синтетическими соединениями, не существующими в природе, радиоактивными, канцерогенными, бактериологическими и др. веществами.

Атмосфера загрязняется твердыми частицами (пыль), кислыми компонентами, оксидами углерода, галогенами и их соединениями, ртутью и тяжелыми металлами, выхлопными газами ДВС, растворителями, пестицидами и др. Ежегодно выделяется в атмосферу более 2,5 млрд.т. вредных веществ.

В России участие отраслей в загрязнении распределяется сле­дующий образом: черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтехимия, предприятия стройматериалов, химическая промышленность - 30%, автотранспорт - 40%, теплоэнергетика - 30%.

Пыль. Вклад отдельных отраслей промышленности в общий пылевыброс следующий: производство стройматериалов - 34,7%, теп­лоэнергетика --15,8%, металлургия - 14,6%, химическая промышленность - 4,6%, прочие - 0,8%. Осаждение пыли зависит от размеров частиц. Гранулометрический состав пыли является определявшим при выборе оптимального типа аппарата, для обеспыливания газов.

Действие пыли на живые организмы определяется химическим составом и содержанием пыли в воздухе. При превышении ПДК при сухом воздухе снижается интенсивность фотосинтеза, растут затраты воды на транспирацию, учащаются случаи легочных заболеваний, развивается силикоз. Действие других групп загрязнителей отражено в таблице 1.

Таблица 1- Характеристика некоторых загрязнений атмосферы

Загрязнение	Среднесуточная ПДК (ПДКср), мг/м3	Токсичность	Основные источники выброса загрязнения
СО2	1,0	малотоксичное	Дыхание растений, теплоэнергетика, ДВС, металлургия
SO2	0,05	Понижает уровень гемоглобина, вызывает заболевания легких, коньюктивиты	Теплоэнергетика – 50,3%, автотранспорт – 20%, металлургия – 25,8%
H2S	0,008	Головная боль, боль в глазах, отравление, судороги, потеря сознания	Целлюлозо-бумажная, химическая промышленность
NO2	0,04	Наркотическое действие, отек легких, отравления, разрушение нервной системы, гемоглобина	Теплоэнергетика – 72,5%, автотранспорт – 17,5%, черная металлургия – 6,1%
Галогены	0,03 – 0,1 в зависимости от вида	Особенно токсичны туманообразные соединения с водой	Промышленность полупроводниковых изделий
Ртуть	0,0003	высокотоксичная	Горнодобывающая промышленность, металлургия, применение пестицидов
Летучие углеводороды	0,08	Токсичны, аллергенны	Автотранспорт, сжигание отходов, испарение нефтепродуктов
Полициклические ароматические углеводороды	0,1мг/100м3	Концерогенны, токсичны, мутагенны	Автотранспорт, нефтепереработка, химическая промышленность
Свинец и его соединения	0,0003	Концерогенен, токсичен	Автотранспорт, цветная металлургия

Задание: назвать основные группы загрязнителей атмосферы и их токсичность, назвать источники загрязнения по предложенной пре­подавателем группе загрязнений.

В настоящее время насчитывается более 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу, их количество все увеличивается. Для борьбы с загрязнением воздуха на основе Закона «Об охране атмосферного воздуха» установлены стандарты качества воздуха. Основной норматив качества - предельно допустимая концентрация (ПДК) загрязнителя. ПДК- такая концентрация, которая при ежедневном воздействии на человека в течение длительного времени не вызывает в его организме каких-либо патологических изменений или заболеваний.

Наряду с ПДК устанавливается предельно допустимый выброс (ПДВ) вредного вещества из источника, обеспечивающий концентрацию загрязнения в приземном слое воздуха не выше ПДК.

Устанавлены среднесуточные и максимально-разовые ПДК.

Таблица 2- ПДК некоторых веществ в воздухе для человека, мг/м³ (список №3086-84)

Загрязнение	ПДК				Класс опасности
	Максимальная разовая (при воздействии в течение 20 мин.)		Среднесуточная
Азота диоксид	0,085		0,04		2
Аммиак	0,20		0,04		4
Ацетон	0,35		0,35		4
БВК	-		0,001		2
Бензпирен	-		0,001		1
Бензол	1,5		0,1		2
Метафос	0,008		-		1
Дихлорэтан	3		1		2
Йод	-		0,03		2
Мышьяк	-		0,003		2
Нафталин		0,003		0,003		4
Озон		0,16		0,03		1
Ртуть		-		0,003		1
Сероводород		0,008		-		2

Таблица 3 – ПДК некоторых вредных для растений веществ в воздухе, мг/м³

Вид растения	SO2	NH3	Формальдегид
Тимофеевка луговая	2,5	1,0	2,5
Сирень обыкновенная	0,25	1,0	-
Барбарис обыкновенный	0,5	-	-
Можжевельник	0,05	5,0	2,0
Смородина золотистая	1,0	-	-
Клен ясенелистный	2,0	-	-

Задание: дать определение ПДК и ПДВ некоторых веществ для человека, сравнить с ПДК для растений; уяснить уровни действия загрязнений на человека.

В связи с широким интервалом концентраций загрязнений и широким спектром размеров частиц невозможно создание универсального метода измерения атмосферных загрязнений.

Анализ содержания примесей в атмосфере сводится к следующим операциям: отбор проб воздуха, подготовка пробы к анализу, анализ и обработка результатов.

Отбор проб воздуха, содержащего твердые и жидкие аэрозоли, проводят либо методом фильтрации, либо с использованием центробежных, инерционных и электрических сил, либо методом термодиффузии.

Метод фильтрации позволяет выделить частицы размером более 0,1 мкм. выделение взвешенных частиц под действием сил инерции осуществляется в импакторах (для частиц крупнее 0,5 мкм).

Метод центробежного осаждения частиц пыли осуществлен в циклоне и позволяет выделить частицы крупнее 1,0 мкм.

Методы термодиффузии и электростатического осаждения позволяют из пылегазовой смеси выделить частицы крупнее 0,01 мкм.

При анализе газо- и парообразных примесей используются методы поглощения через тверодые или жидкие поглотители, в которых газовая смесь конденсируется или адсорбируется. В последние годы используются растворимые неорганические сорбенты, пленочные и полимерные сорбенты.

Используются также гравиметрический метод (аэрозоли), радио­изотопный (аэрозоли), оптический (аэрозоли), линейно-колориметрический (газо- и парообразные примеси) методы, лазерные методы (аэрозоли, газы), пьезоэлектрические (пыль), электрохимические (S0₂, N0₂, NНз, Н₂S), плазменно-ионизационный (углеводороды), хемилюминисцентный (NОх), фотокалориметрический (СО, СН₄, СО₂).

Задание: назвать основные методы отбора проб и определения концентрации загрязнений в атмосфере; назвать основные методы определения запыленности атмосферы; назвать методы определения концентрации газов.

4. Контроль загрязнения воздушной среды осуществляется органами Гидрометеослужбы, Минздрава, ведомственными подразделениями. Контроль проводится на специальных стационарных и временных постах, по маршрутным линиям в порядке долгосрочных, краткосрочных или разовых замеров.

Номенклатура и возможности контрольной аппаратуры все время расширяются. Имеются автоматические приборы для непрерывной регистрации сернистого газа, двуокиси углерода, окислов азота и др. Применяется лазерная техника. Созданы автоматизированные системы контроля и управления качеством воздуха АНКОС-АГ.

Наиболее широко применяются для экспрессного определения токсичных веществ универсальные газоанализаторы упрощенного типа (УГ-2, ГХ-2), основанные на линейно-колориметрическом методе анализа и методе поглощения загрязнения. При просасывании воздуха через индикаторные трубки, заполненные поглотителем, происходит изменение окраски индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого вещества, измеряемой по шкале в мг/л.

Газоанализатор УГ-2. Позволяет определить концентрацию 16 различных газов и паров. Погрешность измерения не превышает ±10% от верхнего предела каждой среды.

Комплектность прибора:

- воздухозаборное устройство УГ-2;

- комплект индикаторных средств УГ-2;

- паспорт

Воздухозаборное устройство предназначено для просасывания установленного объема воздуха через индикаторную трубку и состоит из резинового сильфона с двумя фланцами, стакана с пружиной внутри общего корпуса. Установка требуемого расхода воздуха производится с помощью выдвижного штока, имеющего продольные канавки с углублениями.

Комплект индикаторных средств. В комплект средств УГ-2 входят ампулы с индикаторными, поглотительными порошками и принадлежности для изготовления индикаторных трубок и фильтрующих патронов.

Паспорт. В паспорте приведены технические характеристики, описан порядок изготовления индикаторных трубок и фильтрующих патронов, порядок работы с прибором.

Порядок измерения концентрации загрязнений

1. Перед началом работы необходимо изготовить индикаторные трубки и фильтрующие патроны, загерметизировать их концы смесью парафина с полиэтиленом.

2. Для определения концентрации загрязнения открыть крышку воздухозаборного устройства, вставить шток так, чтобы наконечник фиксатора скользил по канавке штока, над которой указан необходимый расход воздуха.

3. Давлением руки на головку штока сжать сифон.

4. Освободить индикаторную трубку от изолирующих колпачков и присоединить ее к резиновой трубке. При наличии в анализируемом воздухе паров (газов) мешающих определению, их улавливают фильтрующим патроном, присоединяемым к индикаторной трубке узким концом.

5. Отвести фиксатор штока и, когда шток начнет двигаться, включить секундомер. Общее время просасывания воздуха на конкретный вид загрязнителя указано на этикетке.

6. Определить концентрацию газа, совместив нижнюю границу столбика окрашенного порошка трубки с нулевой отметкой измерительной шкалы. По верхней границе окрашенного столбика считать концентрацию газа.

7. Измерения провести 2-3 раза, вычислить среднее.

Результаты измерения привести к нормальным условиям. Концентрация в нормальных условиях будет равна:

где t, φ, 𝑝 - соответственно температура (°С), влажность (%) и давление (кПа)

К - поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры воздуха на показания трубок (для определения аммиака, углеводородов нефти).

Газоанализаторы на принципе поглощения загрязнения

Предназначены для определения концентрации какого-либо одного компонента: двуокиси углерода, кислорода, окиси углерода в газовой смеси или других загрязнений посредством поглощения газов реактивами.

Таблица 4 - Поглотители для газов

Газ	Поглотитель
Аммиак	Раствор Н2SO4
Ацетилен	Олеум (концентрированная Н2SO4)
Бензол	Олеум (концентрированная Н2SO4)
Водород	Губчатый палладий
Кислород	Щелочной раствор Na2S2O4 (пирогаллол)
Оксид углерода	Аммиачный или солянокислый раствор CuCl
Сероводород	Раствор KOH
Углекислый газ	Раствор KOH
Этилен	Бромная вода, олеум

Приборы радиометрического контроля

Кратко (в связи с детальным изучением в курсе дисциплины «Радиационная экология») излагаются следующие вопросы:

1. Принципы построения и состав приборов.

2. Дозиметры (индивидуальные, общего пользования).

3. Радиометры

4. Порядок измерения, количество измерений.

Прибор для определения бактериологического загрязнения воздуха

(Модель 818)

Прибор состоит: 1) основание; 2) корпус; 3) крышка.

В основании - электродвигатель с вентилятором. На корпусе ук­реплен ротаметр для определения расхода воздуха через прибор (шкала градуирована через 5 л/мин).

Крышка герметично закрывает прибор. В ней укреплен диск из оргстекла со щелью для засасывания воздуха.

В верхней части корпуса расположен вращающийся диск с креплениями для чашки Петри. Скорость вращения чашки регулируется винтом тормоза.

Засасываемая вентилятором струя воздуха через щель ударяется о поверхность питательной среды в чашки Петри, оставляя на ней микроорганизмы, и выходит наружу через ротаметр.

Порядок работы:

1. Подключить прибор к сети.

2. Замерить давление и температуру воздуха (p_p и t_p)

3. Установить, включив прибор, нужный расход воздуха.

3. Отключив прибор, на диск установить чашку Петри со стерильной питательной средой.

5. Включить прибор на 3-5 минут, замерить время работы.

6. Определить истинный расход воздуха через прибор с учетом

поправки.

Q = Qp -AQ,

где Qp - расход воздуха по показаниям ротаметра, л/мин;

АQ - поправка.

где Р_р - плотность воздуха при работе с прибором (при t_p и р_р),

кг/м³; Рк - плотность воздуха при калибровке ротаметра, кг/м³;

7. Вырастить и подсчитать микроорганизмы в чашках Петри.

8. Рассчитать бактериальное загрязнение на 1 м³ воздуха.

Прибор градуирован при температуре 24° и давлении 760 мм.рт. ст. при плотности воздуха 1,18 кг/м'.

При температуре 20° и давлении 760 мм.рт.ст. -- плотность возду­ха равна 1,20 кг/м³.

Задание: усвоить устройство и порядок работы с приборами; по задаваемым преподавателем данным рассчитать концентрацию за­грязнений, определяемую с помощью приборов УГ-2 и прибора для анализа микробиологического загрязнения.