Напишем:


✔ Реферат от 200 руб., от 4 часов
✔ Контрольную от 200 руб., от 4 часов
✔ Курсовую от 500 руб., от 1 дня
✔ Решим задачу от 20 руб., от 4 часов
✔ Дипломную работу от 3000 руб., от 3-х дней
✔ Другие виды работ по договоренности.

Узнать стоимость!

Не интересно!

 

 

 

Химические основы экологического мониторинга


Большинство нормируемых загрязняющих веществ для воздуха имеют ПДК в пределах 0,005-0,1 мг/м3. В них попадают пентаоксид ванадия, неорганические соединения мышьяка (исключая мышьяковистый водород), шестивалентный хром, некоторые органические вещества: ацетофенон, стирол и др. Для небольшого перечня веществ ПДК еще меньше: металлическая ртуть 0,0003 мг/м3, свинец и его соединения 0,0007, карбонилникель 0,0005, бензпирен 0,000 001 мг/м3. Основное количество нормируемых загрязняющих веществ для воды водоемов имеют ПДК 0,1-1 мг/л. Для многих токсичных веществ установлена ПДК 0,001-0,003 мг/л. Это неорганические соединения селена, ртути, органические соединения - изомерные дихлорбензолы, тиофос. Небольшое число веществ - соединения бериллия, диэтилртуть, тетраэтилолово имеют ПДК в пределах 0,0001-0,0002 мг/л. Для особенно опасных токсичных веществ, таких, как растворимые соли сероводородной кислоты, активный хлор, бензпирен, N-нитрозоамины, диоксины (например, чрезвычайно токсичный 2,3,7,8-тетрахлордибензо-4-диоксин), в качестве норматива установлено полное отсутствие их в воде. В водоемах рыбохозяйственного значения в воде не допускается наличие еще и ДДТ и других пестицидов.

Для количественной оценки присутствия таких веществ необходимо применять мощные, информативные и чувствительные методы анализа, чтобы контролировать концентрации, меньшие ПДК. В самом деле, что означает нормативное отсутствие компонента? Может быть, его концентрация настолько мала, что его традиционным способом не удается определить, но сделать это все равно нужно. Здесь, как бы имеет место вызов аналитической химии .

Высокоэффективные методы контроля состояния окружающей среды исключительно важны для диагностики токсикантов. Принципиально важно, чтобы предел обнаружения загрязняющих веществ аналитическими методами был не ниже 0,5 ПДК. Кроме того, например, при определении основных компонентов атмосферного воздуха - кислорода, диоксида углерода, озона - требуется высокая точность. Многокомпонентность объектов окружающей среды предопределяет большие сложности в качественном обнаружении и количественном определении загрязняющих веществ. Ключевая роль принадлежит химическим, физическим и физико-химическим методам аналитической химии. В связи с чрезвычайно большим количеством выполняемых анализов все большее значение приобретают автоматические и дистанционные методы анализа.

                                                                               Таблица

Технические характеристики аналитической аппаратуры для определения присутствия загрязнителей в окружающей среде

Метод

Образец

Требуемое оборудование

Относительная селективность

Средняя продолжительность анализа, ч

Определяемые компоненты объекта анализа

Гравиметрический

Т,Ж,Г

Стандартное лабораторное

Хорошая

1-2

Основные компоненты

Титрометрический

Т,Ж,Г

То же

Хорошая

0,25-0,5

Основные и полумикрокомпоненты

Спектрометрия в видимой части

Т,Ж,Г

Колориметр, спектрофотометр

Удовлетворительная

0,5-1,0

Полумикро и микрокомпоненты

Ультрафиолетовая спектрофотометрия

Т,Ж,Г

УФ-спектрофотометр

Удовлетворительная

0,5-1,0

Полумикро и микрокомпоненты (хромофоры, органические вещества)

Пламенная эмиссионная спектроскопия

Т,Ж

Пламенный фотометр

Хорошая

0,25-0,5

Микрокомпоненты (щелочные и щелочно-земельные металлы)

Атомно-абсорбционная спектроскопия

Т,Ж

АА-спектрофотометр

Отличная

0,25-0,5

Микрокомпонентные (переходные и другие металлы)

Газовая хроматография

Ж,Г

Газовый хроматограф

Отличная

0,25-0,5

От основного до микрокомпонентов, органические и металлоорганические соединения

Вольтамперометрия

Ж

Импульсный полярограф постоянного тока

Хорошая

0,25-0,5

Микрокомпоненты и следы металлов

Спектрофлуориметрия

Т,Ж

Регистрирующий спектрофлуориметр

Хорошая

0,5-1,0

Микрокомпоненты (органические и неорганические примеси)

Рентгенофлуоресцентная спектрометрия

Т,Ж

РФ-спектрометр

Хорошая

0,25-0,5

Полумикрокомпоненты (элементы в почве)

Жидкостная хроматография

Т,Ж

Жидкостный хроматограф высокого давления

Хорошая

0,5-1,0

Микрокомпоненты (преимущественно органические вещества)

Полярография

Ж

Многофункциональный полярограф

Хорошая

0.25-0,5

Полумикр и микрокомпоненты, органические вещества и газы

Инфрокрасная спектроскопия

Т,Ж,Г

Инфрокрасный спектрометр

Удовлетворительная

0,5-2,0

Основные и микрокомпоненты; органические вещества и газы

Микробиологический

Т,Ж

Микробиологическое оборудование

То же

12

Микрокомпоненты, организмы

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, по-видимому, 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. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности - катарометра и избирательных - пламенно-ионизационного, электронного захвата, атомно-эмиссионного, позволяет достигать высокой чувствительности при определении высокотоксичных соединений. 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.

Специфика объектов окружающей среды как объектов химического анализа заставляет подчеркнуть их изменяющийся состав, многокомпонентность и многофазность. Известным примером может быть ключевая роль оксидов азота в образовании фотохимического смога, усиливающегося под влиянием озона и углеводородов . Множество протекающих в природной среде химических, биохимических и биогеохимических процессов предопределяет чрезвычайную сложность химико-аналитических исследований. Это необходимо учитывать при анализе жидких сред: растворов (они могут быть истинными, коллоидными, насыщенными), суспензий, эмульсий, летучих и нелетучих твердых веществ, газов; при определении различных неорганических и органических веществ, исследовании живого вещества. Принципиально важны пробоотбор, сохранение и консервация проб и пробоподготовка, необходимая для переведения всех компонентов пробы в форму, удобную для проведения анализа. Для этого используют все способы, применяемые в химическом анализе: измельчение твердых образцов, растворение, обработку различными химическими реактивами, нагревание, один из наиболее современных приемов - микроволновое и ультразвуковое облучение - все для полного извлечения определяемых компонентов. Например, при учете всех форм нахождения металлов в водах можно определить растворимые металлы (в фильтрате пробы, подкисленном азотной кислотой), суспендированные металлы (после кислотного озоления - мокрого сожжения кислотами-окислителями осадка на фильтре), общие металлы (после мокрого сожжения всей пробы), экстрагирующиеся металлы (анализ фильтрата после обработки пробы смесью азотной и соляной кислот). Необходимо учитывать также способность ионов тяжелых металлов к гидролизу и гидролитической полимеризации и лигандный состав природных вод - наличие гуминовых кислот и, следовательно, формы существования в них металлов.

Сложность почв как объекта анализа определяется их гетерогенным и многофазным характером. Минеральная основа, органические и биологические компоненты: гумусовые веществ, почвенные раствор и воздух - вот объекты анализа в этом случае. К ним следует прибавить еще и оказывающие наиболее сильный загрязняющий эффект минеральные удобрения, пестициды и продукты их превращений.

При определении следов веществ чувствительности применяемых инструментальных аналитических методов иногда бывает недостаточно. В этом случае применяют различные способы аналитического концентрирования: экстракцию органическими растворителями, не смешивающимися с водой, сорбционное концентрирование, дистилляцию, соосаждение, использование криогенных ловушек. Например, органические загрязнители, как правило, присутствуют в питьевой воде в очень малых количествах порядка ppb (part per billion - часть на миллиард, 0,000 001 мг/л). Для выполнения определений их необходимо сконцентрировать. Летучие органические вещества извлекают из вод потоком инертного газа и улавливают твердыми адсорбентами. Далее нагреванием осуществляют их термическую десорбцию и переносят сконцентрированные компоненты из ловушки в газовый хроматограф. Нелетучие органические вещества экстрагируют органическими растворителями. Экстракты анализируют методами высокоэффективной жидкостной хроматографии. Экстракцию веществами, находящимися в сверхкритическом состоянии (например, диоксидом углерода), упрощающую приготовление концентрата, используют при извлечении полициклических ароматических и гетероциклических углеводородов, пестицидов, полихлорированных бифенилов, диоксинов из твердых образцов, например почв.

Обнаружить и измерить радиоактивность можно с помощью многих физико-химических и фотохимических методов. Назовем три из них.

1.      Ионизационный метод. В известном счетчике Гейгера-Мюллера (рис. 4.9) используют эффект ионизации инертного газа аргона под действием радиоактивного излучения. Последнее проникает в металлическую трубку, заполненную аргоном, через тонкое слюдяное окно, выбивая из молекул инертного газа электроны:

Ar ® Ar+ + e.

Положительные ионы идут к катоду, а электроны - к проволочному аноду. Возникающий при этом импульс тока можно усилить и зарегистрировать (по щелчкам в наушниках счетчика или по вспышкам сигнальной лампы).

2.      Сцинтилляционные методы. Некоторые вещества, например сульфид цинка ZnS, излучают видимый свет, если на них попадает радиоактивное излучение. Вспышки света при бомбардировке датчика, покрытого слоем сульфида цинка радиоактивными частицами, регистрируются в сцинтилляционном счетчике.

3.      Фотохимические методы (авторадиография). Если на слой фотографическолй эмульсии, содержащей галогениды серебра (AgBr и AgCl), поместить радиоактивный образец, то последний оставит след, подобный тому, который привел А.Беккереля в 1896г. к открытию радиоактивности. После проявления фотопленки радиоактивность образца оценивается при рассмотрении фоточувствительного слоя под сильным увеличением. Пятно на рентгеновской пластинке диаметром в 1мм соответсвует примерно 104 распадам (или при 30-минутной экспозиции частице с активностью 1,5×10-4 мкКu).

Для определения содержания радона 222Rn в воздухе используют активированный уголь как сорбент (нормальное содержание составляет примерно 0,03 - 1,1×10-12 Кu/л).

Наличие хорошо отлаженной системы национального мониторинга позволяет использовать его как надежный инструмент управления охраной окружающей среды , дающий возможность постоянно информировать население о ее состоянии с выдачей рекомендаций о поведении для сохранения жизни и здоловья человека. Это очень ярко иллюстрирует один из стандартов Агентства по охране окружающей среды США (табл 4.11).

Химическая информация о качестве окружающей среды очень важна. Однако даже все аналитические методы не в состоянии охватить функциональное разнообразие загрязняющих веществ. Не дают они и прямой информации об их биологической опасности. Это задача биологических методов. Результаты наблюдений за изменениями состояния биосферы используют для оценок и прогноза. Эта грандиозная и одна из серьезнейших проблем предопределяет высокую требовательность к правильности результатов химико-аналитического исследования природной среды

Следует подчеркнуть, что для оценки опасности загрязнения следует иметь некий образец для сравнения. Эту функцию выполняют исследования, проводимые в биосферных заповедниках.

Для анализа целого спектра токсичных веществ широко используется методы хроматографии. В частности, ООО «Сибертех» (г. Новосибирск) выпускается семейство скоростных портативных газовых хроматографов (ПГХ) «ЭХО». Эти приборы характеризуются высокими скоростью разделения самых сложных смесей токсичных веществ (от 5 с до 2-3 мин) и чувствительностью основных аналитических элементов – детекторов : электронно – захватного (ДЭЗ) –     2х10-12г/с ( по линдану); пламенно – ионизационного (ПИД) – 10-11г/с (по толуолу), аргоново – ионизационного (АИД) – 20 ррв (по толуолу), фото – ионизационного (ФИД) – 10 ррв (по бензолу). Они по аналитическим и весогабаритным характеристикам удовлетворяют международным стандартам.

                                                                                Таблица 4.10

          Примерный перечень анализов выполняемых

                              на приборах «ЭХО»

Объект анализа

Определяемый компонент

Тип прибора «ЭХО» (тип детектора)

Пищевые продукты, корма, почвы

Пестициды

«ЭХО-EW» (ДЭЗ/АИД)

Вино – водочные изделия

Обнаружение примесей в этаноле

«ЭХО-EW»(ФИД) «ЭХО-ПИД»

Питьевая вода, природные и сточные воды

Летучие галогенорганические и ароматические углеводороды, хлорорганические пестициды, хлорзамещенные фенолы, фенолы, нефтепродукты, гидрохинон, жиры, ацетон, метанол

«ЭХО-EW»

(ДЭЗ/АИД, ФИД)

«ЭХО-ПИД»

Атмосферный воздух, воздух рабочей зоны

Сероуглерод, хлорзамещенные углеводороды, хлорорганические пестициды, амины алифатические, амины ароматические, фенолы и др.

«ЭХО-EW»

(ДЭЗ/АИД, ФИД)

«ЭХО-ПИД»

Выбросы омышленных предприятий

Жирные спирты, кетоны, полициклические ароматические углеводороды, фенолы, нитрилакриловая кислота

«ЭХО-ПИД»

Примером простейшей автоматизированной системы слежения за параметрами окружающей среды может служить система Радуга. Эта система предназначена для измерения параметров водной среды первичной обработки данных, передачи информации по радиоканалам, обработки и хранения информации в ЭВМ, выдачи результатов измерений в графическом или табличном виде на дисплей или принтер. Одна приёмная станция обслуживает до 16 автоматически передающих станций, к каждой из которых возможно подключение 16 датчиков. Полученная информация может накапливаться и архивироваться для последующей передачи в ЭВМ. Цикл опроса каждого датчика может задаваться в интервале от 1…24 часов. Данные с контроллера в ЭВМ передаются один раз в сутки.

 

    

Показатели качества атмосферы из стандарта Агентства по

                   охране окружающей среды США

с качества

воздуха

Характе-ристика качества

Уровень загрязнений, мкг/м3

Действие воздуха

Общее коли-чество пыли (24ч)

   SO2

   24 ч

СО

8 ч

 О3      1 ч

NОх

1 ч

500

Опасный

1000

2620

57500

1260

3750

У здоровых людей появляются ощущения, мешающие нормальной жизни. Все окна и двери должны быть закрыты. Физические и сердечные нагрузки сведены к min. Возможна преждевременная смерть в группе высокого риска*

400

Опасный

875

2100

46000

1000

3000

Опасность высока. Поэтому всем следует оставаться дома. Избегать физической работы на улице.

300

Очень нездоровый

625

1600

4000

800

2260

Группа высокого риска ощущает ухудшение состояния, понижается сопротивление заболеванию. Таким людям следует оставаться дома. Плохое самочуствие у здорового населения.

Индекс качества

воздуха

Характе-ристикакачества

Уровень загрязнений, мкг/м3

Действие воздуха

Общее коли-чество пыли (24ч)

SO2

24 ч

  СО

  8 ч

  Оз

  1 ч

NОх

1 ч

200

Нездоро-вый

375

800

17000

   400

1130

Людям с заболеванием сердца и легких следует уменьшить физические нагрузки и активность вне дома. Здоровые люди чувствуют недомогание.

100

Удовлетворительный

60

365

10000

235

нет

Некоторая опасность для стройматериалов и растений, но на здоровье человека не влияет в течение многих дней

75