6 Лекция Контроль качества окружающей среды. Методы определения загрязняющих веществ. Методы контроля состояния воздуха и газовых потоков. Методы анализа природных вод
 Скачать 83.5 Kb.
|
|
Лекция 6. контроль качества окружающей среды.
1.Методы определения загрязняющих веществ. При контроле загрязнения природных объектов поллютантами различного происхождения используются как классические методы химического анализа (гравиметрический и объемный), так и современные методы инструментального анализа. Выбор наиболее перспективного метода химического или физико-химического анализа определенного объекта окружающей среды включает несколько стадий: 1) установление перечня определяемых соединений (например, неорганические, органические или биологические примеси; взвеси и растворенные вещества и т. п.), а также перечня основных компонентов субстрата, в которых предстоит определять загрязняющие вещества; 2) выбор стандартного или общепринятого метода анализа, позволяющего возможно более рационально и с требуемой точностью выполнить нужное определение; если такого метода нет, следует выбрать другой, наиболее соответствующий поставленной задаче, и в случае необходимости модифицировать его, приведя в соответствие с целью анализа. Для определения вредных веществ в окружающей среде используют инструментальные методы современной аналитической химии, основанные на измерении различных физических свойств определяемых веществ или продуктов их химических превращений (аналитических реакций) с помощью физических и физико-химических приборов. Спектроскопические методы анализа основаны на использовании взаимодействия атомов или молекул определяемых веществ с электромагнитным излучением широкого диапазона энергий. Это могут быть (в порядке уменьшения энергии) гамма-кванты, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое и видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволновое излучение. Сигналом может быть испускание или поглощение излучения. Важнейшими для экологического мониторинга, являются нейтронно-активационный, рентгеноспектральный, атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, спектрофотометрический и флуориметрический методы, инфракрасная спектрометрия. Ценную информацию в анализе вод предоставляют электрохимические методы анализа: потенциометрия, полярографические и кулонометрические методы. Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды - хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, прежде всего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощным компьютером. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины, нитрозоамины и другие токсичные вещества. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод. 2. Методы контроля состояния воздуха и газовых потоков. Отбор проб газа на анализ. Первым условием определения содержания в газовой смеси какого-либо компонента является правильный отбор пробы для анализа и ее обработка. При отборе пробы газа необходимо учитывать, в каком агрегатном состоянии находится определяемое вещество и те вещества, что ему сопутствуют, а также является ли проба типичной и характерной для общей массы анализируемого газа. Для анализа газов используют широкий ассортимент приборов, называемых газоанализаторами. Выбор метода газового анализа и соответственно газоанализатора определенного типа диктуется особенностями анализируемого компонента, которые отличают его от других компонентов смеси. В практике заводских лабораторий и научно-исследовательских организаций используют газоанализаторы механические, тепловые, магнитные, электрические, оптические, хроматографические, масс-спектральные. Действие механических газоанализаторов основано на измерении молекулярно-механических параметров анализируемой газовой смеси и их изменении при химическом или физико-химическом извлечении из смеси определяемого компонента. При осуществлении контроля за состоянием воздуха как на территории населенных пунктов, так и в рабочей зоне производственных помещений, используют качественный и количественный анализ газовых смесей. С помощью качественного анализа определяют в воздухе или газовых потоках отдельные компоненты, не устанавливая их содержания. При количественном анализе определяют состав газовой смеси (%) или содержание в ней определенного компонента (компонентов). На практике обычно не требуется полного анализа газовой смеси и определяют лишь некоторые, наиболее важные ее составляющие. Качественный анализ газовых смесей производится с помощью органолептического или индикационного метода, или с использованием пористых поглотителей. Органолептический метод основан на определении примесей, содержащихся в атмосфере или газовых выбросах, по цвету или запаху. К газам, обладающим специфическим цветом, относят фтор, хлор, диоксид азота и некоторые другие; специфическим запахом отличаются хлор, аммиак, диоксид серы, оксиды азота, сероводород, фтористые соединения, цианиды, некоторые углеводороды и другие органические соединения. Однако индикацию газов органолептическим методом нельзя считать достоверной, так как возможная ошибка зависит не только от субъективных особенностей человека, но и от того, что специфический цвет или запах могут маскироваться окраской и запахом других примесей. Индикационный метод основан на изменении окраски индикаторной бумаги, пропитанной соответствующими реактивам, в присутствии того или иного компонента газовой смеси. Так, красная лакмусовая бумага синеет в присутствии NН3 и остается без изменения в присутствии кислых примесей (НС1, H2S, SO2, C02, NO, NO2); красная и синяя лакмусовая бумага обесцвечиваются в присутствии хлора; бумага, пропитанная раствором ацетата свинца, чернеет в присутствии H2S. Индикация с помощью жидких или пористых поглотителей заключается в пропускании воздуха через жидкость, в которой растворен соответствующий реагент, или сквозь пропитанный реагентом пористый материал (силикагель, пемза, цеолиты). О наличии в воздухе или отходящих газах определяемой примеси судят по изменению окраски раствора или реагента, пропитывающего пористый материал. 3. Методы анализа природных вод. Методы анализа, разработанные для поверхностных пресных и соленых вод, применимы, несомненно, и для анализа других водных объектов, в том числе грунтовых и лизиметрических вод, почвенных растворов и вытяжек. Аналитическая процедура определения содержаний элементов в водах различного состава включает несколько стадий: - пробоотбор; - пробоподготовку; - собственно инструментальный анализ. В зависимости от концентраций определяемых элементов и возможностей инструментальной техники вышеперечисленные стадии могут быть усложнены введением дополнительных этапов, связанных с консервацией анализируемых образцов, предварительным концентрированием элементов и модернизацией оборудования (например, введением дополнительных приспособлений для ввода пробы, перевода из одного агрегатного состояния в другое и т.д.). Пробоотбор и пробоподготовка как важнейший этап анализа. Отбор пробы воды следует рассматривать как стадию, в значительной степени определяющую правильность последующего анализа, причем ошибки, допущенные в процессе пробоотбора, в дальнейшем не могут быть исправлены даже самым квалифицированным аналитиком. Место и условия отбора пробы воды в каждом случае определяют конкретными задачами исследований, однако основные правила отбора проб носят общий характер: - проба воды, взятая для анализа, должна отражать условия и место отбора; - отбор пробы, ее хранение и транспортировка должны исключать возможность изменения ее первоначального состава (содержаний определяемых компонентов или свойств воды); -объем пробы должен быть достаточным для проведения аналитической процедуры в соответствии с методикой. Отбор проб воды. Отбор проб воды может быть разовым и серийным. Разовый отбор обычно применяют для получения первоначальной информации о качестве анализируемой воды. Принимая во внимание изменяющийся во времени и пространстве состав анализируемых вод, более оправдан серийный отбор, который проводят либо с разных глубин источника, либо в различные моменты времени. При таком отборе можно судить об изменении качества воды во времени или в зависимости от ее расхода. По своему виду пробы бывают простыми и смешанными. Простая проба обеспечивается путем однократного отбора всего требуемого для анализа количества воды, при этом полученная информация отвечает составу в данной точке в данный момент времени. Смешанную пробу получают путем сливания простых проб, отобранных в разные промежутки времени или в различных точках, характеризуя таким образом усредненный состав воды. Если пробу отбирают из открытого водотока, необходимо соблюдать условия, при которых она будет типичной: лучшие места для пробоотбора - бурные участки, где происходит более полное смешение. При отборе пробы сточной воды нужно соблюдать следующие условия: - скорость отбора не менее 0,5 м/с; - диаметр отверстия пробоотборника не менее 9-12 мм; - высокая турбулентность (в случае отсутствия создают искусственно). При отборе пробы питьевой воды необходимо предварительно спустить воду в течение 15 мин при полностью открытом кране. Перед закрытием сосуда пробкой верхний слой воды сливают так, чтобы под пробкой оставался слой воздуха объемом 5-10 см3. Для отбора и хранения проб используют посуду из стекла, полиэтилена, тефлона. Для определения ультрамикроконцентраций элементов идеальным материалом для отбора и особенно для хранения проб является новый полимер политетрафтор-алкокси-этилен (PFA). Его главные преимущества по сравнению с тефлоном, применяющимся в аналитической химии микроэлементов, - высокая гидрофобность и практически полное отсутствие внутренних пор, а значит и отсутствие эффекта "памяти". Консервация и хранение. Отобранная проба природной воды представляет собой двухфазную систему, состоящую из раствора и взвешенного вещества. Чтобы избежать потерь микроэлементов за счет биохимических процессов и сорбции на стенках сосуда пробу после фильтрования консервируют, в отдельных случаях даже нефильтрованные образцы, если это согласуется с задачей исследования. Для консервирования металлов, как правило, применяют подкисление образца азотной кислотой до рН < 2, причем во избежание загрязнения пробы микроэлементами во время консервации кислоту предварительно очищают суббойлерной перегонкой. Пробы питьевой воды консервируют лишь в том случае, если невозможно провести анализ в день отбора. Сложно консервировать сточные воды, так как введение консерванта может привести к побочным процессам, осложняющим анализ. В ряде случаев биохимические процессы в пробах сточных вод могут быть замедлены охлаждением и хранением при 3 - 4"С. Последнее эффективно и для проб природных вод. Следует отметить, однако, что несмотря на приведенные рекомендации по отбору проб воды, доля погрешности пробостбора в общей погрешности анализа может достигать 80% и более. Повышение точности анализа может быть достигнуто средствами мобильного анализа. 4. Методы исследования экологического состояния почв. Пробоподготовка. Методы этой группы включают выделение, очистку и предварительное разделение органических веществ на составляющие компоненты. Центрифугирование — один из распространенных методов разделения смесей, состоящих из компонентов с разной плотностью, массой и размерами частиц; оно эффективнее фильтрования и отстаивания — методов менее чистых и значительно более длительных. Центрифугирование позволяет разделять вещества, забивающие поры фильтра или портящиеся от соприкосновения с ним. Электрофорез— метод разделения смесей, основанный на разной подвижности компонентов в электрическом поле. Он обладает высокой разрешающей способностью и применяется как в аналитических, так и в препаративных целях. Высаливание — общедоступный метод для препаративного фракционирования гуминовых кислот. Методы анализа. Эта группа методов охватывает способы изучения содержания, состава, свойств и строения органического вещества почв. Спектроскопические методы.Спектры поглощения гумусовых веществ в ультрафиолетовой и видимой частях спектра применяют: 1) для сравнительной характеристики гумусовых веществ различного происхождения; 2) как метод изучения свойств и строения гуминовых кислот и фульвокислот при различных антропогенных нагрузках; 3) для быстрого количественного определения содержания гумусовых кислот в почвах; 4) для количественного определения некоторых компонентов, обнаруживаемых в щелочных и спиртобензольных экстрактах (пигмент Pg*, хлорофилл, некоторые химические загрязняющие вещества); 5) для контроля за растворимостью гуминовых кислот и фульвокислот, условиями их осаждения, образования соединений с катионами металлов. Электрохимические методы анализа. Для анализа органического вещества почв используют полярографию. При использовании этого метода не происходит физического разделения смеси на отдельные компоненты. В качестве катода чаще всего применяют ртутный капающий электрод, поверхность которого непрерывно обновляется, что позволяет получать полярограммы и проводить анализ с высокой воспроизводимостью результатов. Прямое определение возможно лишь при наличии веществ, способных восстанавливаться на катоде. Это ионы металлов, органические соединения, содержащие галогены, нитро-, нитрозогруппы, карбонильные соединения, пероксиды, эпоксиды, дисульфиды. Возможности полярографического метода ограничены, однако при определении полярографических активных соединений достигается высокая селективность определения без предварительного разделения сложных смесей на отдельные компоненты. Хроматографические методы позволяют непосредственно или после предварительной химической деструкции и трансформации определить качественный состав и количественное содержание многих специфических и неспецифических составляющих почвенного гумуса, идентифицировать органические химические загрязняющие вещества. Термические методы используют для изучения структурных особенностей гуминовых веществ, их изменений под влиянием антропогенных факторов, продуктов взаимодействия гуминовых веществ и химических загрязняющих веществ. Электронномикроскопическое исследование гуминовых кислот и продуктов их взаимодействия с тяжелыми металлами применяют для оценки формы и размеров молекул, однако при подготовке препаратов к анализу в результате высушивания проб образуются, как правило, надмолекулярные структуры — ассоциаты округлой формы, что существенно ограничивает возможности метода. Необходимо отметить, что использование всех вышеперечисленных методов при исследовании органических веществ почв, продуктов их взаимодействия с химическими загрязняющими веществами в почвах требует тщательной стандартизации условий эксперимента с предварительным установлением оптимальных параметров работы прибора и перевода органических веществ в стандартное состояние. Только в этом случае можно получить надежные и воспроизводимые результаты. Стандартизации требуют не только методы анализа и извлечения органических веществ из почв, но и способы отбора образцов, общие методологические подходы при решении задач изучения почвенного гумуса при антропогенных нагрузках. 5. Нормирование качества окружающей среды В соответствии с природоохранительным законодательством Российской Федерации нормирование качества окружающей природной среды производится с целью установления предельно допустимых норм воздействия, гарантирующих экологическую безопасность населения, сохранение генофонда, обеспечивающих рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в условиях устойчивого развития хозяйственной деятельности. При этом под воздействием понимается антропогенная деятельность, связанная с реализацией экономических, рекреационных, культурных интересов и вносящая физические, химические, биологические изменения в природную среду. Экологическое нормирование предполагает учет так называемой допустимой нагрузки на экосистему. Допустимой считается такая нагрузка, под воздействием которой отклонение от нормального состояния системы не превышает естественных изменений и, следовательно, не вызывает нежелательных последствий у живых организмов и не ведет к ухудшению качества среды. Как экологическое, так и санитарно-гигиеническое нормирование основаны на знании эффектов, оказываемых разнообразными факторами воздействия на живые организмы. Одним из важных понятий в токсикологии и в нормировании является понятие вредного вещества. В специальной литературе принято называть вредными все вещества, воздействие которых на биологические системы может привести к отрицательным последствиям. Кроме того, как правило, все ксенобиотики (чужеродные для живых организмов, искусственно синтезированные вещества) рассматривают как вредные. Установление нормативов качества окружающей среды и продуктов питания основывается на концепции пороговости воздействия. Порог вредного действия - это минимальная доза вещества, при воздействии которой в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология. Таким образом, пороговая доза вещества (или пороговое действие вообще) вызывает у биологического организма отклик, который не может быть скомпенсирован за счет гомеостатических механизмов (механизмов поддержания внутреннего равновесия организма). Нормативы, ограничивающие вредное воздействие, устанавливаются и утверждаются специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, санитарно-эпидемиологического надзора и совершенствуются по мере развития науки и техники с учетом международных стандартов. В основе санитарно-гигиенического нормирования лежит понятие предельно допустимой концентрации. Предельно допустимые концентрации (ПДК) - нормативы, устанавливающие концентрации вредного вещества в единице объема (воздуха, воды), массы (пищевых продуктов, почвы) или поверхности (кожа работающих), которые при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияют на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства. Предусмотрены максимальные и для высококумулятивных веществ средние сменные концентрации в воздухе рабочей зоны, максимальные разовые и средние суточные концентрации в атмосферном воздухе населенных мест. Наряду с величиной ПДК вредных веществ определяется класс их опасности (для регламентирования вентиляции, планировочного и аппаратурного оформления технологического процесса). Предельно допустимые концентрации вредных веществ в водоемах устанавливают с учетом санитарно-токсикологического и рыбохозяйственного признаков вредности, влияния на общесанитарный режим водоемов и органолептические свойства воды. Предельно допустимые концентрации экзогенных химических веществ для почвы устанавливают с целью предупреждения опасного для здоровья людей вторичного загрязнения воздуха, воды и растений, контактирующих с почвой. Обоснование ПДК веществ в почве базируется на следующих лимитирующих показателях вредности: транслокационном (способность веществ переходить из почвы в сельскохозяйственные растения), миграционном водном (переход веществ из почвы в подземные грунтовые воды и поверхностные водоисточники), миграционном воздушном (переход веществ из почвы в воздух) и общесанитарном (влияние веществ на самоочищение почвы и ее биологическую активность). Для пищевых продуктов определяют нормы допустимого остаточного количества (ДОК) вредных веществ. Нормирование загрязнений кожи химическими веществами у работающих осуществляется путем установления предельно допустимого уровня (ПДУ) такого загрязнения. Обоснование ПДК вредных веществ проводят по результатам экспериментов на лабораторных животных, включая изучение влияния веществ на различные функции организма, в т. ч. и репродуктивную (гонадотропный и эмбриотропный эффекты), на наследственный аппарат (мутагенный эффект), на выявление возможности отдаленных последствий (ускоренное старение, канцерогенный эффект); в ряде случаев используют данные наблюдений за людьми, эпидемиологические сведения о влиянии веществ на здоровье работающих или проживающих в определенной местности лиц и другие материалы. Количественно ПДК определяются, как правило, для воздуха в мг/м3, для воды в мг/л, для продуктов питания и почвы в мг/кг, для кожи в мг/см3. Предельно допустимые концентрации утверждаются МЗ РФ; контроль за их соблюдением возложен на органы и учреждения санитарно-эпидемической службы; ПДК для водоемов рыбопромыслового назначения утверждаются и контролируются органами рыбнадзора. Таким образом, санитарно-гигиеническое нормирование охватывает все среды, различные пути поступления вредных веществ в организм, хотя редко отражает комбинированное действие (одновременное или последовательное действие нескольких веществ при одном и том же пути поступления) и не учитывает эффектов комплексного (поступления вредных веществ в организм различными путями и с различными средами - с воздухом, водой, пищей, через кожные покровы) и сочетанного воздействия всего многообразия физических, химических и биологических факторов окружающей среды. Существуют лишь ограниченные перечни веществ, обладающих эффектом суммации при их одновременном содержании в атмосферном воздухе. Для веществ, о действии которых не накоплено достаточной информации, могут устанавливаться временно допустимые концентрации (ВДК) - полученные расчетным путем нормативы, рекомендованные для использования сроком на 2-3 года. В публикациях иногда встречаются и другие характеристики загрязняющих веществ. Под токсичностью понимают способность веществ вызывать нарушения физиологических функций организма, что в свою очередь приводит к заболеваниям (интоксикациям, отравлениям) или, в тяжелых случаях, к гибели. Фактически токсичность - мера несовместимости вещества с жизнью. Степень токсичности веществ принято характеризовать величиной токсической дозы - количеством вещества (отнесенным, как правило, к единице массы животного или человека), вызывающим определенный токсический эффект. Чем меньше токсическая доза, тем выше токсичность вещества. Различают среднесмертельные (ЛД50), абсолютно смертельные (ЛД100), минимально смертельные (ЛД0-10) и др. дозы. Цифры в индексе отражают вероятность (%) появления определенного токсического эффекта - в данном случае смерти - в группе подопытных животных. Санитарно-гигиенические и экологические нормативы определяют качество окружающей среды по отношению к здоровью человека и состоянию экосистем, но не указывают на источник воздействия и не регулируют его деятельность. Требования, предъявляемые собственно к источникам воздействия, отражают научно-технические нормативы. К таковым относятся нормативы выбросов и сбросов вредных веществ (ПДВ и ПДС), а также технологические, строительные, градостроительные нормы и правила, содержащие требования по охране окружающей природной среды. В основу установления научно-технических нормативов положен следующий принцип: при условии соблюдения этих нормативов предприятиями региона содержание любой примеси в воде, воздухе и почве должно удовлетворять требованиям санитарно-гигиенического нормирования. Научно-техническое нормирование предполагает введение ограничений деятельности хозяйственных объектов в отношении загрязнения окружающей среды, иными словами, определяет предельно допустимые потоки вредных веществ, которые могут поступать от источников воздействия в воздух, воду, почву. Таким образом, от предприятий требуется не собственно обеспечение тех или иных ПДК, а соблюдение пределов выбросов и сбросов вредных веществ, установленных для объекта в целом или для конкретных источников, входящих в его состав. Зафиксированное превышение величин ПДК в окружающей среде само по себе не является нарушением со стороны предприятия, хотя, как правило, служит сигналом невыполнения установленных научно-технических нормативов (или свидетельством необходимости их пересмотра). Контрольные вопросы:
|