Качество атмосферного воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

35

Реферат

Курсовая работа 46 страниц, 4 таблицы, 11 рисунков, 25 источников.

Ключевые слова: атмосферный воздух, источники загрязнений, основные загрязнители, методы анализа воздуха, метод газовой хроматографии, спектральные методы анализа.

Объект исследования: атмосферный воздух

Предмет исследования: качество атмосферного воздуха

Цель курсовой работы: изучить материал по теме курсовой работы

Задачами курсовой работы являются:

-закрепление, углубление и обобщение знаний, полученных в период обучения;

-применение полученных знаний при решении конкретных задач; -подготовка к выполнению дипломной работы;

-формирование умений пользоваться справочной и научной литературой, нормативными актами, кодексами, периодическими изданиями. Таблицами, диаграммами. Справочными и конкретными данными в отдельных отраслях и на предприятиях;

-приобретение навыков самостоятельной работы при постановке задачи исследования, анализе и обобщении изучаемого материала. А также следуемых выводов и предложений. Выводы: в ходе выполнения курсовой работы был тщательно изучен и исследован материал о качественном анализе воздуха, его загрязнителях, методах исследования качественного состава воздуха, математических методах обработки данных, основных направлений охраны воздушного бассейна, экономического и правового регулирования состояния воздушного бассейна, что поможет в выполнении последующей курсовой работы и проведении исследований.



Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Воздух как объект анализа

1.2 Классификация загрязнителей и стандарты качества атмосферного воздуха

1.3 Биологическое воздействие загрязнителей воздуха на организм человека

1.4 Особенности и методы анализа воздуха

1.5 Отбор и подготовка проб к анализу

1.6 Основные методы анализа загрязнений воздуха

1.6.1 Анализ загрязнений воздуха методом газовой хроматографии

1.6.2 Спектральные методы анализа загрязнений воздуха

1.7 Математические методы обработки данных

1.8 Основные направления охраны воздушного бассейна

1.9 Правовое и экономическое регулирование состояния воздушного бассейна

Заключение

Список использованных источников



Введение

Атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных элементов окружающей природной среды. Высокие темпы развития производства, рост городов, расширяющееся использование атмосферы и возрастающие масштабы воздействия человека на окружающую природную среду требуют повышения внимания к охране атмосферного воздуха.

В настоящее время в биосфере постоянно находится более одного миллиона различных химических соединений антропогенного происхождения, и число их непрерывно растёт. В мире ежегодно синтезируется почти полмиллиона новых химических веществ, многие из которых становятся потенциальными загрязнителями атмосферы.

Главными источниками загрязнения атмосферы являются выбросы промышленных предприятий, процессы испарения и сжигания топлива (теплоэлектростанции, двигатели внутреннего сгорания и т.д.). Загрязняющие воздух вещества в результате метеорологических процессов распространяются в атмосфере на значительные расстояния, что в конечном итоге приводит к глобальному загрязнению воздуха. Сейчас уже нет принципиальной разницы в составе атмосферного воздуха сельских и промышленных регионов (разница лишь по количественному содержанию загрязнителей).

В этих условиях первостепенное значение приобретает проблема борьбы с загрязнением атмосферы, которая особенно строго стоит в промышлен- но развитых странах. Разумное использование природных ресурсов и охрана природы, создание государственных заповедников и национальных парков, увеличение количества зелёных насаждений, сокращение промышленных выбросов вредных химических веществ в атмосферу и развитие безотходной химической технологии - вот основные пути решения экологических проблем, целью которых в конечном итоге является благо всего человечества.

Однако решение подобного комплекса задач по охране атмосферного воздуха и других объектов окружающей среды невозможно без создания эффективной системы контроля качества воздуха. Необходимость разработки исчерпывающих методов для определения различных токсичных веществ в атмосфере является общепризнанной.



1. Обзор литературы

1.1 Воздух как объект анализа

Атмосферный воздух и источники загрязнения атмосферы

Более 99,9% сухого атмосферного воздуха состоит из азота, кислорода и аргона и лишь около 0,1% приходится на долю диоксида углерода, криптона, неона, гелия, водорода и ксенона. Однако даже в чистом воздухе содержатся следовые количества (от 0,003 до 0,25 мг/м3) оксида углерода, озона, оксидов азота, аммиака. А также 0,5 - 1,5 мг/м3 метана и водорода. Присутствие небольших количеств этих газов в воздухе объясняется существованием свободного озона в верхних слоях атмосферы, а также процессами гниения и разложения (аммиак, метан, оксиды углерода и азота) или атмосферными явлениями (диоксид азота). Все другие соединения (твёрдые, жидкие и газообразные вещества, изменяющий естественный состав атмосферы), попадающие в воздух из различных источников (в основном антропогенного происхождения), классифицируются как загрязнители. К ним относят оксиды углерода, серы и азота, углеводороды. Различные оксиданты. Аэрозоли металлов, твёрдые частицы (пыль, сажа, органические аэрозоли) и радиоактивные вещества[2].

Главный вклад в загрязнение воздушного бассейна вносит промышленность, особенно в местах её концентрации. Основными источниками индустриальных загрязнений воздуха являются тепловые электростанции (ТЭС), работающие на каменном угле и выбрасывающие в атмосферу сажу, золу и диоксид серы; металлургические заводы, выбросы которых содержат сажу, пыль, оксид железа и диоксид серы, а иногда и фториды; цементные заводы - источники огромного количества пыли. Крупные предприятия по производству продукции неорганической химии загрязняют атмосферу. В зависимости от технологического процесса. Самыми различными по составу газами (диоксид серы, тетрафторид кремния, фтороводород, оксиды азота, хлор, озон). Заводы по производству целлюлозы, очистке нефти отличаются выбросами в атмосферу дурнопахнущих газообразных отходов (одорантов). Предприятия нефтехимии (органический синтез, нефтеперегонные заводы, переработка нефти) служат источником поступления в воздух углеводородов и органических соединений других классов (амины, сульфиды, меркаптаны, кетоны, альдегиды, кислоты, хлоруглеводороды и др.). Кроме того, все промышленные предприятия располагают собственными отопительными и энергетическими системами, отходящие газы которых также загрязняют воз- дух[12].

-Загрязнение атмосферного воздуха предприятиями химической промышленности обусловлено следующими причинами:

а) Неполный выход продукции (неполнота протекания реакции, потери конечного продукта и др.).

б) Выброс в атмосферу примесей и загрязнений при переработке сырья (диоксида серы и сероводорода из природного газа, сырой нефти и каменного угля; фтористых соединений из органических растворителей; селена и мышьяка из серного колчедана при производстве серной кислоты и т. д.).

в) Попадание в воздух пахучих веществ и продуктов окисления и деструкции в результате процессов термоокислительной деструкции, нагревания или сушки (производство продуктов питания, мыла, клея и изделий из дерева, окраска автомобилей, синтез и переработка полимерных материалов, производство растворителей и др.).

г) Потери веществ, используемых в производственных процессах, например летучих органических растворителей, сероуглерода и сероводорода при изготовлении искусственного шёлка и вискозы; оксидов азота при камерном и башенном способах производства серной кислоты; соединений фтора при производстве алюминия и др.

д) Стационарные источники промышленного происхождения (дымовые газы, отходящие газы плавильных печей металлургического производства, установок каталитического крекинга, отходящие газы ТЭС и других энергетических комплексов) и извержение вулканов загрязняют атмосферу углеводородами. Значительно большое количество углеводородов и оксидов углерода выделяется в воздух в результате лесных пожаров[16].

1.2 Классификация загрязнителей и стандарты качества атмосферного воздуха

По условиям образования все вещества, загрязняющие атмосферный воздух, делятся на примеси естественного и искусственного происхождения. Примеси естественного происхождения поступают в атмосферу в результате естественных явлений, происходящих в природе (пыльные бури, извержение вулканов, лесные и торфяные пожары и т.д.). Эти факторы не угрожают отрицательными последствиями природным экосистемам (за исключением некоторых катастрофических природных явлений).

В эпоху научно-технического прогресса, характеризующегося высокими темпами роста промышленного производства, выработки и потребления электроэнергии, увеличения парка автомобилей, антропогенные источники загрязнения превысили по масштабам естественные, приобрели глобальный характер.

Главными по интенсивности и эффектам антропогенными воздействиями на атмосферный воздух являются:

выброс огромного количества антропогенных веществ в атмосферу (что ведёт к изменению её состояния, изменению физических и химических свойств);

прямой нагрев и изменение радиационных характеристик атмосферы за счёт антропогенного изменения подстилающей поверхности.

Антропогенные загрязнения атмосферного воздуха отличаются многообразием видов и многочисленностью источников. Если в начале 20 века в промышленности применялось 19 химических элементов, то в середине века промышленное производство стало использовать 50 элементов, а в 70-х годах - практически все элементы таблицы Менделеева. Это существенно отразилось на составе промышленных выбросов и привело к качественно новому загрязнению атмосферы, в частности, аэрозолями тяжёлых и редких металлов, синтетическими соединениями, не существующими в природе, радиоактивными, канцерогенными, бактериологическими и другими веществами.

Антропогенные загрязнения подразделяют на локальные и глобальные. Локальные загрязнения представляют собой важнейшую практическую проблему для городов, промышленных районов и некоторых сельскохозяйственных зон, где загрязнения от отдельных источников могут достигать заметных величин. Глобальные загрязнения влияют на биосферные процессы в целом на Земле и распространяются на огромные расстояния[24].

Основные источники загрязнения атмосферного воздуха: тепловые электростанции, чёрная металлургия, цветная металлургия, нефтедобыча и нефтехимия, автотранспорт, предприятия стройиндустрии, химическая промышленность.

Транспорт, в некоторых странах стоит на первом мосте по уровню загрязнения атмосферы. Среди различных видов железнодорожного транспорта основное количество загрязняющих веществ дают тепловозы (на их долю приходится до 90% выбросов на железнодорожном транспорте). Трубопроводный транспорт более аффективен, меньше загрязняет окружающую среду. Однако при транспортировке нефти по нефтепроводам часть ее приходится сжигать при разжиживании нефти. При этом много вредных веществ попадает в атмосферу.

Основным видом транспорта, влияющим на экологическое состояние воздуха, является автомобильный. Источниками поступления загрязняющих веществ в воздух являются отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания, картерные газы (для автомобилей с карбюраторным двигателем), испарение топлива с топливной системы. Определяющая доля выбросов вредных веществ (66%) принадлежит грузовым автомобилям.

Структура выбросов автомобильного транспорта представлена 200 веществами: оксиды углерода и азота, углеводороды, бензопирен, свинец, тяжелые металлы, пыль и т.д.

Приближенный состав выхлопных газов автомобилей представлен в табл. 1.

Таблица 1 Приближенный состав (% по объёму) выхлопных газов автомобилей

Компоненты	Содержание компонентов в выхлопах карбюраторного двигателя	Содержание компонентов в выхлопах дизельного двигателя
n2	74-77	76-78
о2	0,3-8	2-18
н2о	3,0-5,5	0,5 - 4,0
со2	5,0 -12,0	1,0-10,0
со	5,0-10,0	0,01-0,5
Оксиды серы	0-0,8	2 ' 10"4 -- 0,5
Углеводороды	0,2 - 3,0	0,001-0.5
Альдегиды	0-0,2	(1-9) ю-2
Сажа	0 - 0,4 г/м3	0,01 -1,1 г/см3
Бензопирен	(10-20) 10'6	До 1 * 10"5 г/см3

Один усредненный автомобиль за 6 лет эксплуатации выбрасывает в атмосферу 9 т С02, 0,9 т СО, 0,25 т N02 и 80 кг углеводородов. На долю автомобилей приходится 25% сжигаемого топлива. Около 50% соединений свинца в атмосферу поступает от легковых и 2/3 диоксида азота от грузовых автомобилей.

Автомобиль является источником загрязнения воздуха пылью. Пыль образуется при истирании покрышек, выделяется с отработавшими газами, завозится в город в виде грязи на кузовах автомобилей. Например, за год эксплуатации покрышки одного легкового автомобиля истираются на 1 кг.

В Беларуси основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются автотранспорт, объекты энергетики и промышленные предприятия. Большая часть загрязняющих веществ поступает в атмосферу от автотранспорта (72% от суммарных выбросов в 2003 г.). При функционировании промышленных предприятий выбросы образуются в результате технологических, производственных и других процессов (54,4% в 2003 г.) и при сжигании топлива (45,6% в 2008 г.).

В составе выбросов в атмосферу преобладают оксид углерода, углеводороды, оксиды азота, диоксид серы. Значительная часть поступающих в атмосферу оксида углерода и оксидов азота обусловлена работой автотранспорта. Промышленные предприятия -- основные поставщики диоксида серы и твердых веществ в воздух.

Выделяют следующие виды загрязнения атмосферного воздуха:

механические, физические и биологические.

Механические загрязнения - пыль, фосфаты, свинец, ртуть. Они образуются при сжигании органического топлива и в процессе производства строительных материалов.

К физическим загрязнениям относятся тепловые(поступление в атмосферу нагретых газов), световые(ухудшение естественной освещённости местности под воздействием искусственных источников света), шумовые(как следствие антропогенных шумов), электромагнитные(от линий электропередач, радио и телевидения, работы промышленных установок), радиоактивные.

Биологические загрязнения, в основном, являются следствием размножения микроорганизмов и антропогенной деятельности (теплоэнергетика, промышленность, транспорт).

Самыми распространёнными токсичными веществами, загрязняющими атмосферный воздух, являются: оксид углерода (СО), диоксид серы (S2), оксид азота (Ох), углеводороды и пыль[25].

В зависимости от источника и механизма образования различают первичные и вторичные загрязнители воздуха. Первые представляют собой химические вещества, попадающие непосредственно в воздух из стационарных или подвижных источников. Вторые образуются в результате взаимодействия в атмосфере первичных загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами (кислород, озон, аммиак, вода) под действием ультрафиолетового излучения. Часто вторичные загрязнители, например вещества группы пероксиацетилнитратов (ПАН), горазно токсичнее первичных загрязнителей воздуха. Большая часть присутствующих в воздухе твёрдых частиц и аэрозолей является вторичными загрязнителями[4].

« С учётом токсичности и потенциальной опасности загрязнителей, их распространённости и источников эмиссии они были разделены условно на несколько групп:

Основные (критериальные) загрязнители атмосферы - оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды, твёрдые частицы и фотохимические оксиданты;

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ)

Следы элементов (в основном металлы)

Постоянные газы (диоксид углерода, фторхлорметаны и т.д.)

Пестициды

Абразивные твёрдые вещества (кварц, асбест и др.)

Разнообразные загрязнители, оказывающие многостороннее действие на организм (нитрозамины, озон, нитраты, сульфаты, кетоны, альдегиды и др.).

Все критериальные загрязнители относятся к первичным загрязнителям атмосферы. Оксиды азота образуются при высокотемпературной фиксации азота и кислорода в силовых установках и двигателях внутреннего сгорания. Оксид азота образуется при электрических разрядах в атмосфере и присутствует в отработавших газах автомобилей. Ежегодно в атмосферу поп

ступает около 5*10 т оксидов азота, из них 54% из антропогенных источников. В конечном итоге оксиды азота превращаются в атмосфере в нитраты.

Диоксид серы образуется при сгорании топлива с высоким содержанием серы (каменный уголь, нефть). Источниками эмиссии этого токсичного газа являются стационарные источники горения, промышленные объекты (производство удобрений, серной кислоты), двигатели внутреннего сгорания. Диоксид серы относят к главным и наиболее важным загрязнителям воздуха, опасным для животных и растений и участвующим в образовании фотохимического смога. Общая эмиссия диоксида серы в атмосферу серы составляет 8*107т в год, т. е. значительно превосходит поступление в атмосферу большинства других токсичных химических веществ, и постоянно возрастает пропорционально росту потребления энергии.

Оксид углерода - наиболее опасный и чрезвычайно распространённый из газообразных загрязнителей воздуха, токсичность которого обусловлена реакцией с гемоглобином крови. Образование СО происходит при неполном сгорании различного топлива. Естественным источником СО являются лесные пожары и фотохимическое превращение органических соединений в атмосфере. Около 25% СО имеет антропогенное происхождение. Средняя концентрация СО в атмосфере (около 10"5%) значительно увеличивается (до 3* 10"3%) в районах автострад и в городах в часы пик.

Предполагается, что в будущем снизится загрязнение воздуха от стационарных источников такими токсичными веществами, как пыль и оксиды серы, углерода и азота. Однако большую опасность будут представлять газы и пары органических веществ и тяжёлые металлы (кадмий, свинец, бериллий и др.).

Концентрация углеводородов, выделяющихся в воздух из природных источников, немногим более 1 мг/м3' Ежегодная эмиссия углеводородов составляет 3*108 т в год, причём 50% этого количества обусловлено работой транспорта, около 15% составляет выделение углеводородов при сгорании жидкого топлива в жилых районах и ТЭС, а 26% приходится на сгорание угля, мусора и испарение топлива и растворителей. В «усреднённом» автомобильном выбросе содержится около 400 мг/м3 парафиновых, 120 мг/м3 ацетиленовых, 200 мг/м3 ароматических, 300 мг/м3 олефиновых углеводородов.

При этом максимальное количество загрязнителей попадает в атмосферу при сжигании угля. На долю этого источника приходится более 95% твёрдых частиц, 85% оксидов серы, 70% оксидов азота и более 90% следов элементов от общего количества выбросов для всех ТЭС, работающих на угле, газе и нефти.

Скапливаясь в атмосфере, загрязнители взаимодействуют друг с другом, гидролизуются и окисляются под действием влаги и кислорода воздуха, а также изменяют свой состав под воздействием радиации. Вследствие этого продолжительность пребывания токсичных примесей в атмосфере тесно связана с их химическими свойствами. Для диоксида серы этот период составляет 4 дня, сероводорода - два, оксида азота - пять, аммиака - семь дней, а СО и СЕЦ в силу своей инертности сохраняются неизменными в течение трёх лет[12].

1.3 Биологическое воздействие загрязнителей воздуха на организм человека

Химическое загрязнение атмосферы непосредственно влияет на состояние здоровья человека. Установлена чёткая корреляционная связь между загрязнение атмосферного воздуха и заболеваниями органов дыхания: бронхитами, трахеитами, астмой, пневмониями, раком лёгких. Смертность от рака лёгких в последние 10 лет удвоилась. Наиболее чувствительны к воздействию загрязнённого воздуха люди пожилого возраста, дети и люди, страдающие хроническими заболеваниями органов дыхания.

Запыленность воздуха кремнием вызывает силикозы. При этом заболевании ткань лёгкого заменяется соединительной тканью и перестаёт функционировать. У людей, постоянно находившихся в сильно запыленном воздухе, возникают бронхиты, астма, аллергические реакции. Ряд легочных заболеваний, в том числе рак, связан с запыленностью атмосферы асбестом, что особенно чётко проявляется в районах расположения предприятий по производству цемента.

Травмы глаз золой на улицах промышленных центров достигают 30-60 % всех глазных заболеваний.

Воздействие сернистого газа и его производных на организм человека и животных поражает верхние дыхательные пути. Сернистый ангидрид в концентрации до 20 мг/м3 вызывает раздражение слизистых оболочек носа, горла, глаз. Воздействие больших доз диоксида серы может приводить к отёку лёгких и смерти [23].

В крупных городах и промышленных центрах, где в воздушной среде содержится большое количество канцерогенных полициклических углеводородов, люди чаще страдают раковыми, психическими заболеваниями.

Среди «городских» загрязнителей бензол вызывает рак крови, кадмий - рак предстательной железы, мышьяк - рак кожи и печени, асбест - рак лёгких. Весьма токсичен бензапирен (C2oHi2)- Его источником являются выхлопы транспорта, промышленные отходы при переработке и сжигании топлива. Концентрация этого вещества в местах интенсивного движения транспорта может достигнуть в воздухе 6 мкг/100 м3.

Опыты, проведённые учёными, показали, что даже ничтожные количества бензапирена могут вызывать появление злокачественных опухолей.

У детей загрязнение среды может вызывать заболевание рахитом, приводить к отклонениям в массе и росте, изменениям формулы крови. У детей, проживающих в загрязнённых районах, наблюдается стойкое повышение артериального давления, многие из них страдают разными формами анемий. Число аллергических заболеваний может возрастать в 5-6 раз.

Свинец вызывает хроническое отравление организма с различными проявлениями. Он может поражать кровеносную, нервную, мочеполовую системы, нарушать синтез белка. При его концентрации в крови 0,85 мг/л возникают головные боли, усталость, депрессии, психические расстройства. Однократное вдыхание свинца в концентрации 271-795 мг/м3 вызывает смерть.

Восприимчивость организма к вирусам повышают оксиды азота. Раздражая лёгкие, они могут вызывать бронхиты и пневмонии. Оксид азота является кровяным ядом. Он переводит оксигемоглобин в метгемоглобин, оказывает прямое действие на центральную нервную систему. Хроническое отравление оксидом азота нарушает функции дыхания и кровообращения. Диоксид азота вызывает отёк лёгких, стимулирует анаэробное окисление в легочной ткани.

Озон приводит к обострению хронических заболеваний сердца, снижению сопротивляемости простудным заболеваниям, может вызывать бронхиты и астму.

Аммиак сильно раздражает глаза, верхние дыхательные пути, вызывает головную боль. Летальный исход может наступить при вдыхании его паров в концентрации 1500-2700 мг/м в течение 0,5-1 ч.

Весьма токсичны пары ртути. Их воздействие на организм человека проявляется разнообразно, что зависит от путей поступления в организм и дозы.

Шумовое загрязнение среды отрицательно влияет на нервную систему человека. Оно ведёт к потере слуха. Опасность шумового воздействия углубляется свойством человеческого организма накапливать акустические раздражения. Под воздействием шума определённой интенсивности возникают изменения в циркуляции крови, работе сердца и желез внутренней секреции, снижается мышечная выносливость.

Статистические данные свидетельствуют о том, что процент нервно- психических заболеваний выше среди лиц, работающих в условиях повышенного уровня шума. Реакция на шум зачастую выражается в повышенной возбудимости и раздражимости. Люди, подвергающиеся постоянному воздействию шума, часто становятся трудными в общении.

Шум вредно влияет на зрительный и вестибулярный аппарат, снижает устойчивость ясного видения и рефлекторную деятельность человеческого организма. Чувствительность сумеречного зрения ослабевает, снижается чувствительность дневного зрения к оранжево - красным лучам.

Канцерогенные углеводороды на фоне выше сказанного могут изменять наследственные изменения в организме человека и животных, которые будут проявляться у будущих поколений[6]. Так, антропогенное воздействие на окружающую среду в Республике Беларусь представлено в таблице 2.

Таблица 2 Антропогенное воздействие на окружающую среду в областях Республики Беларусь( за год)

Регионы	Республика Беларусь	Брестек	Витебская	Гомель екая	Гродненская	Минская	Могилёвская	Минск
Площтыс кв.км	207,6	32,8	40,1	40,4	25,0	40,0	29,1	0,2
Насел, тыс. чел	10019,5	1484, 1	1369,1	1540,3	1179,8	1549,5	1208, 6	1688,1
Объём производства, %	100,0	9,8	17,2	18,2	9,9	12,6	12,0	20,3
Выбросы в атм промети	374,2	36,4	99,88	78,0	31,6	48,8	44,1	35,5
Транс порта	1373,7	213,4	216,2	214,3	180,7	258,8	176,7	113,6
Сброс сточн. вод, млн. куб.м	1315	161	195	222	131	174	154	278
Налич отходов на предпр,тыс. т	684560	394	241	20162	1462	66053 3	277	1491



1.4 Особенности и методы анализа воздуха

Анализ загрязнений воздуха относится к наиболее трудным задачам аналитической химии, поскольку в одной пробе одновременно могут находиться сотни токсичных примесей органических и неорганических соединений различных классов. Концентрации токсичных веществ, попадающих из различных источников в атмосферу и воздух рабочей зоны, находятся на уровне следовых количеств или микропримесей. Т. е. в интервале 10"4 - 10"7% и ниже. Кроме того, воздух представляет собой неустойчивую систему с постоянно изменяющимся составом (наличие кислорода, влаги, фотохимические реакции, изменение метеорологических условий).

Трудности при анализе подобных систем встречаются практически в каждой аналитической операции, начиная с отбора пробы и кончая детектированием примесей. От химика-аналитика требуется большое искусство, чтобы получить представительную и хорошо воспроизводимую пробу, сконцентрировать анализируемые примеси (степень извлечения из воздуха должна быть не менее 75%), затем практически полностью извлечь их из ловушки и сохранить без изменения при транспортировке пробы. Не менее трудным является селективное и достоверное определение целевых (обычно более токсичных) компонентов исследуемого воздуха в присутствии десятков и сотен мешающих анализу сопутствующих примесей. Очень остро стоит проблема идентификации микропримесей в сложных композициях загрязнителей, абсолютное решение которой возможно в полной мере пока ещё лишь с помощью хромато-масс-спектрального анализа (ГХМС).

Одной из главных задач анализа загрязнений воздуха является получение информации о качественном и количественном составе анализируемого воздуха, необходимой для прогнозирования степени загрязнения воздуха и выполнения мероприятий по охране окружающей среды, а также гигиенических и токсикологических исследований. В задачу химика-аналитика входит также разработка стандартных методов анализа главных загрязнителей атмосферы и промышленного воздуха, анализ источников загрязнения, исследование химических (фотохимических) реакций загрязнителей и путей их перемещения в атмосфере[10].

Наиболее часто для анализа загрязнений воздуха используют метод газовой хроматографии, колориметрию, спектроскопию и потенциометрию.

В настоящее время методы определения в воздухе низких концентраций токсичных химических соединений разработаны примерно для 400 веществ, нормированных в нашей стране.

Аналитическая техника значительно изменилась в последние 25 лет. С развитием более чувствительных и селективных инструментальных методов аналитик получил возможность детектировать и идентифицировать следовые количества вещества и получать достоверные сведения о составе сложнейших композиций загрязняющих воздух веществ, содержащих сотни индивидуальных компонентов. Это привело к необходимости более точной классификации токсичных веществ, изучения долгосрочных эффектов действия химических соединений при экспозициях на низком уровне, т. е. при их концентрации значительно ниже ПДК. Разработка новой методологии анализа загрязнений воздуха является динамическим процессом, однако необходима тщательная проверка новых методов, особенно при определении соединений высокой токсичности, представляющих серьёзную угрозу здоровью людей.

Газовая хроматография - идеальный метод исследования микропримесей летучих органических соединений. В развитие и успешное использование этого метода анализа примесей существенный вклад внесли советские учёные: А. А. Жуховицкий (концентрирование микропримесей), В. Г. Берёзкин (газохроматографический анализ примесей), Н. И. Сакодынский (исследования по использованию пористых полимерных сорбентов для анализа примесей органических соединений), М. С. Вигдергауз (развитие способов газо- хроматографической идентификации примесей органических веществ) и др.

Продолжается развитие и совершенствование спектральных методов анализа (спектроскопия в видимой, УФ- и ИК-областях спектра, люминесцентный анализ), используемых для определения примесей токсичных соединений в воздухе.

Применяемые для анализа примесей в воздухе электрохимические методы (кондуктометрия, кулонометрия, полярография, потенциометрия) постоянно совершенствуются: модернизируется аппаратура и техника анализа токсичных веществ. Использование потенциометрии с ионоселективными электродами позволило разработать корректные методы определения в воздухе микропримесей реакционноспособных и неустойчивых соединений, определение которых другими физико-химическими методами анализа встречает серьёзные трудности.

Определение массового выброса загрязнителей в атмосферу представляет собой достаточно сложную и трудоёмкую работу, которая состоит из исследования физических параметров источников, а также качественного и количественного состава отходящих газов. Кроме того, для неприятнопах- нущих выбросов специфической характеристикой является интенсивность запаха, которая определяется органолептически.

К физическим параметрам газовоздушной смеси относятся объём выбросов, их температура, влажность, скорость потока в устье( на срезе) дымовой трубы или вентиляционной шахты, а также геометрические размеры источника выброса(высота, форма и площадь сечения). Методы определения физических характеристик газовоздушных выбросов не зависят от их характера и одинаковы для всех источников[14].

Для определения объёма организованных газовых потоков наиболее широко применяются микроманометры типа ММН в комплекте с пневмо- метрическими трубками. Измерения проводят на прямых участках воздуховода на расстоянии не менее двух его диаметров до местного сопротивления и не менее шести диаметров после местного сопротивления по направлению потока. Измерения в сечениях, расположенных на расстоянии 6-10 диаметров, следует осуществлять по двум взаимно перпендикулярным осям; а в сечениях, расположенных на расстоянии более 10 диаметров до местного сопротивления, по одной произвольно расположенной оси. Число точек измерений на каждой оси в круглых воздуховодах должно быть не менее 6, в этом случае вычисленную среднюю величину объёма выбросов нужно умножить на поправочный коэффициент К = 1,1. В прямоугольных воздуховодах измерения необходимо проводить по 1 - 4 осям в зависимости от размера трубы. Точки замера следует располагать равномерно по длине оси, и их количество должно быть не менее 6 по каждой оси.

Для определения объёма неорганизованных выбросов используются крыльчатые и чашечные анемометры. Крыльчатые анемометры применяются для измерения скоростей воздушных потоков в диапазоне 0,3 - 5,0 м/с, чашечные предназначены для определения скоростей более 5,0 м/с. При измерениях выбросов из узких щелей и отверстий обечайка анемометра должна примыкать к кромке щели, а сам анемометр следует перемещать вдоль щели. Измерения необходимо проводить поверенными а органах Белстандарта приборами, имеющими графики тарировки. Измерение скорости воздушного потока анемометром следует проводить не менее трёх раз, а если расхождение результатов превышают 5 %, надо повторить замеры.

Температуру выбросов можно измерить любым серийно выпускаемым термоизмерительным прибором, имеющий соответствующий диапазон и точность измерения. Контроль температуры желательно производить на среде выхлопной трубы или вентиляционной шахты. Наибольшее распространение получили ртутно-стеклянные термометры, предназначенные для измерения температур в пределах 30 - 750'С. Для измерения высоких температур применяют термопары.

Для определения содержания паров воды в промышленных выбросах используют серийно выпускаемые гигрографы, самопишущие гигрографы и термоэлектрические психрометры.

В процессе изучения состава выбросов следует также уделять внимание присутствию в них пыли и твёрдых органических примесей. Эти составляющие, как правило, значительно усложняют проблему выбора системы очистки газовых выбросов.

Для определения концентрации пыли и твёрдых органических частиц обычно применяют массовый метод анализа. Воздух просасывают через фильтр типа АФА, ФПП, ФСВ-А и т.п., а затем по массе определяют содержание твёрдых примесей в воздушном потоке.

Массовый выброс вредных веществ из источника ориентировочно можно определить расчётно-балансовым методом из материального баланса производства. Определив расчётным путём или экспериментально потери сырьевых материалов, полупродуктов, готовой продукции на основных стадиях производства, можно оценить массу вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу технологическим оборудованием. При этом большая помощь при определении массового выброса может быть получена из паспортных данных на газоочистное и пылеулавливающее оборудование^ 1].

Кроме того, для ряда технологических операций разработаны эмпирические формулы для расчёта выбросов вредных веществ в атмосферу. Количество выделяемых вредных паров рассчитывается по формуле:

n=vF/r,

где v-скорость испарения, г/см2; F-площадь испарения, м2; г- время испарения, с. Скорость испарения определяется по формуле



v= 4,88bDt(Mn/Vt)pn

где b - коэффициент перехода от свободного испарения к испарению жидкости в движущемся потоке; Dt - коэффициент диффузии при температуре t, см2/с:

Dt= (0,8/ Мп )((273+t)/273)2

Т -- температура воздуха в помещении; Мп- молекулярная масса пара жидкости, г/моль; Vt- объём, который занимает 1 моль пара жидкости при температуре воздуха t, см3/моль:

Vt=V0(l+ альфа t)

V0=2243 см3/г; альфа=0,00267; рп- давление пара над жидкостью в аппарате и воздушной среде, гПа.

В случае испарения жидкостей с поверхности при толщине слоя менее 1 мм количество паров можно определить исходя из норм расхода наносимого продукта, считая, что все летучие фракции смеси выделяются в объём помещения.

При проектировании новых и реконструкции действующих предприятий, монтаже оборудования необходимо заранее рассчитать количество и состав выбросов, что позволяет прогнозировать вероятный уровень загрязнения атмосферного воздуха и разработать возможные природоохранные мероприятия. С этой целью ожидаемое количество выбросов определяется расчётным путём по укрупнённым удельным показателям. Они разрабатываются на основе анализа фактических материальных балансов нескольких аналогичных предприятий и устанавливаются в расчёте на единицу выпускаемой продукции, расходуемого сырья, установленного оборудования и т.д. Особенно эффективно удельные показатели выбросов применяются при расчёте выделений вредных веществ от неорганизованных источников.

Совершенствование аналитических методик определения вредных веществ в атмосфере и в воздухе производственных помещений позволило создать надёжные методы контроля качества воздуха, необходимые для решения одной из важнейших задач современности - защита от загрязнений окружающей природной среды[17], [18].

1.5 Отбор и подготовка проб к анализу

Прежде чем приступить к отбору и анализу проб газовоздушных выбросов, необходимо изучить основной технологический процесс, выяснить химическую природу сырья, полупродуктов и отходов данного производства. На основании этой информации можно сделать вывод о возможном составе газовоздушных выбросов, выбрать наиболее представительные точки отбора проб и эффективные методы анализа.

В последние годы пробоотбору и концентрированию микропримесей из атмосферы и воздуха рабочей зоны уделяется особенно много внимания.

Подготовка пробы - важный этап проведения химических анализов. При подготовке пробы к анализу можно выделить три основные стадии:

Высушивание

Разложение (чаще с переведением пробы в раствор)

Устранение влияния мешающих компонентов

В правильном проведении химического анализа роль подготовки пробы настолько велика, что химик-аналитик должен каждый раз оценить необходимость включения указанных стадий в схему анализа, установить условия проведения этих стадий и оценить возможные погрешности на каждой из них.

Отбор пробы - важнейшая часть аналитической процедуры определения примесей токсичных соединений в загрязнённом воздухе. Результаты самого точного и тщательно выполненного анализа теряют всякий смысл в случае неправильной подготовки к отбору пробы и неверного его выполнения.

Отбор проб для анализа проводят аспирационным методом с помощью стандартных приборов (ручной аспиратор, электроаспиратор, медицинский шприц и т. д.). Количество аспирируемого воздуха и выбор метода отбора проб зависят от концентрации и состава примесей в анализируемом возду- хе[19].

Для улавливания и концентрирования анализируемых газов и паров широко используют поглотительные растворы, вакуумированные ёмкости, неорганические хемосорбенты, позволяющие выделять из загрязнённого воздуха самые различные вещества с очень большим диапазоном температур кипения.

При отборе пробы необходимо учитывать:

Агрегатное состояние анализируемого объекта

Неоднородность анализируемого материала (чем однороднее вещество, тем проще отобрать пробу)

Требуемую точность оценки содержания компонента во всей массе анализируемого объекта в зависимости от задачи анализа и природы исследуемого объекта

Существующие способы улавливания различных веществ из воздуха сводятся к отбору загрязнённого воздуха в контейнеры, абсорбции загрязняющих воздух примесей растворителем, вымораживанию примесей и поглощению их в трубках с сорбентом, а также концентрированию на фильтрах твёрдых частиц и жидких аэрозолей[21].

Абсорбция и адсорбция примесей

Абсорбция. Поглощение примесей вредных веществ в растворе относят к одному из наиболее часто применяемых способов пробоотбора при анализе загрязнений воздуха. Достоинства метода заключаются в возможности одновременного концентрирования примесей, в широком диапазоне анализируемых веществ и высокой селективности определения, которая определяется выбором соответствующего растворителя. Кроме того, при абсорбции упрощается предварительная обработка пробы, которую обычно анализируют в виде жидкости независимо от выбранного метода анализа.

К недостаткам метода абсорбции следует отнести невозможность получения представительной пробы при наличии в воздухе аэрозолей и твёрдых частиц, а также невысокую степень обогащения пробы при анализе микропримесей. Последнее обстоятельство связано с достаточно высоким разбавлением пробы, т. к. при отборе применяют не менее 5-10 мл поглотительного раствора. Отбор проб в растворы осуществляется пропусканием загрязнённого воздуха через поглотительную склянку (абсорбер), содержащую несколько миллилитров какого-либо растворителя в зависимости от состава пробы. Скорость аспирирования может меняться в широких пределах - от 0,1 до 30 л/мл.

Полнота поглощения зависит от природы анализируемых примесей и абсорбента, их концентрации, скорости потока воздуха. Температуры абсорбента. Его конструкции и др. Выбирая поглотительный раствор, можно проводить селективный отбор пробы. Правда. Абсолютной селективности поглощения добиться практически невозможно, т. к. все микропримеси растворяются во всех растворителях, включая воду, значительно лучше, чем макроколичества вещества пробы.

Разработаны методы анализа примесей (в основном с помощью метода газовой хроматографии), в которых поглощение анализируемых примесей в раствор связано с переводом их в форму, удобную для высокочувствительного и селективного определения.

Абсорбция примесей органическим растворителем позволяет повысить концентрацию вещества в пробе примерно в 10 раз. Степень обогащения пробы можно увеличить ещё больше, если анализировать не поглотительную жидкость, а равновесную с ней газовую фазу над раствором. Метод анализа равновесной паровой фазы используют для анализа примесей в самых различных объектах, в том числе и в загрязнённом воздухе.

Адсорбция примесей. Сорбция на твёрдых сорбентах - основной способ отбора проб, сочетающийся с концентрированием микропримесей токсичных веществ из загрязнённого воздуха. Техника пробоотбора на сорбенты заключается в аспирировании больших объёмов воздуха через слой сорбента с высокоразвитой поверхностью и последующим извлечении сконцентрированных примесей при нагревании ловушки (газовая хроматография) или с помощью растворителей-экстрагентов (спектральные, хроматографические, электрохимические методы анализа).

Сорбенты для концентрирования примесей из воздуха должны удовлетворять следующим требованиям:

а) эффективно улавливать из воздуха низкие концентрации загрязнителей

и сохранять их до анализа

б) иметь достаточно большую сорбционную ёмкость

в) не взаимодействовать с загрязнителями при хранении пробы

г) эффективно сорбировать загрязнители в присутствии других примесей

д) не выделять веществ, приводящих к появлению «ложных» загрязнений

Хотя в сорбционных трубках плохо задерживаются аэрозоли и твёрдые

частицы, сорбцию примесей твёрдыми сорбентами чрезвычайно широко применяют для извлечения из воздуха очень низких концентраций разнообразных токсичных веществ для их последующего определения любыми физико-химическими методами анализа. Метод сорбции очень эффективен и даёт возможность анализировать широкий круг веществ, находящихся в воздухе в виде газов и паров. Достоинствами метода являются также сохранность пробы при хранении и транспортировке, простота и дешевизна[20].



1.6 Основные методы анализа загрязнений воздуха

В соответствии с ГОСТ 12.2.1.04 - 77 под инвентаризацией выбросов понимают систематизацию сведений о распределении источников на территории, количество и состав выбросов.

Инвентаризацию выбросов, т. е. изучение характеристик источников выделения вредных веществ в атмосферный воздух, предприятия обязаны проводить систематически - не реже одного раза в три года. Эти данные необходимы для составления статистической отчётности по форме 2 ОС (воздух), разработки проекта норм ПДВ, а также составления плана мероприятий по оздоровлению воздушного бассейна.

Инвентаризация проводится, как правило, технологическими службами предприятия совместно со специализированными научными организациями, имеющими аккредитованные Белстандартом лаборатории. Основной конечной целью проведения инвентаризации является определение массового выброса вредных веществ из каждого источника (г/с).

Инвентаризация выбросов и контроль источников загрязнения атмосферного воздуха регламентированы «Руководством по контролю источников загрязнения атмосферы» ОВД - 90 и другими руководящими и методическими документами.

Массовый выброс вредных веществ можно определить с большей или меньшей точностью следующими методами: инструментальным, инструментально-лабораторным, индикаторным и расчётным.

Инструментальный метод основан на использовании автоматических газоанализаторов, непрерывно измеряющих концентрации примесей в выбросах контролируемых источников.

При использовании инструментально- лабораторного метода сначала отбираются пробы отходящих газов от источников загрязнения, а затем они анализируются в лаборатории на соответствующих автоматических и полуавтоматических приборах.

Индикаторный метод основан на использовании селективных индикаторных элементов (колористических трубок), изменяющих свою окраску в зависимости от концентрации примеси в отходящих выбросах. Этот метод используется для экспресс-анализа и предварительной оценки концентрации примесей в отходящих газах.

Расчётный метод применяется для определения массового выброса загрязняющих веществ по данным о составе исходного сырья и топлива, технологическом режиме, степени очистки газов газопылеочистным оборудованием и т.п. по эмпирическим зависимостям либо по удельным выбросам вредных веществ на единицу произведённой продукции, использованного сырья, топлива, выработанной энергии и т.п. Этот метод целесообразно использовать для предварительной оценки экологичности производства, сравнения его с другими аналогичными производствами при проведении экологической экспертизы, а также в случае невозможности или экономической нецелесообразности прямых измерений.

Кроме перечисленных методов используют метод контроля выбросов по результатам анализа фактического загрязнения атмосферы. При этом фактические уровни загрязнения атмосферного воздуха предприятием в селитебной (жилой) зоне сравниваются с эталонными значениями, полученными расчётным методом в соответствии с ОНД - 86. Этот метод целесообразно использовать для контроля работы большого количества мелких объектов, в том числе и неорганизованных источников, рассредоточенных на территории предприятия.

Наиболее точными методами определения загрязнителей в газовоздушных выбросах являются лабораторные, однако они требуют зачастую наличия сложного оборудования, определённой квалификации операторов и значительного времени. Всё многообразие методов анализа примесей можно разделить на химические и физико-химические. Предпочтение следует отдавать физико-химическим, как наиболее точным, быстрым и современным. Для анализа газовоздушных смесей используют химические, масс- спектрометрические, атомно-абсорбционные, оптико-акустические. Фотометрические, ионометрические еольтамперометрические, хроматографические и другие методы аналитической химии [21].

1.6.1 Анализ загрязнений воздуха методом газовой хроматографии

Хроматографические разделение осуществляют в приборах - хроматографах. В современных хроматографах широко применяют микропроцессоры и ЭВМ. Основной узел хроматографа - колонка. Колонки бывают металлические, стеклянные и пластиковые. Количество вещества, выходящего из колонки, регистрируют с помощью детектора, а самописец записывает на диаграммной ленте сигналы детектора - хроматограмму.

Современный хроматограф может включать несколько колонок и различные детекторы, а также автоматическое устройство для подготовки и ввода пробы. Подсоединённый к хроматографу компьютер, имеющий запоминающее устройство и банк хроматографических данных, обеспечивает аналитика богатой информацией.

Хроматография позволяет не только разделять компоненты смеси, но и определять их качественный и количественный составы, поскольку положение хроматографического пика на хроматограмме (время удерживания) для данной хроматографической системы характеризует природу вещества, а площадь, ограниченная этой кривой и нулевой линией детектора (хромато- графический пик), пропорциональна количеству данного вещества, прошедшего через детектор.

Метод газовой хроматографии - один из самых современных методов многокомпонентного анализа, его отличительные черты - экспрессность, высокая точность, чувствительность, автоматизация. Метод позволяет решить многие аналитические проблемы. Количественный ГХ анализ можно рассматривать как самостоятельный аналитический метод, более эффективный при разделении веществ, относящихся к одному и тому же классу.

Газовая хроматография - метод разделения летучих соединений. Подвижной фазой служит инертный газ, протекающий через неподвижную фазу, обладающую большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не взаимодействует с разделяемыми веществами и неподвижной фазой.

Процесс разделения основан на различии в летучести и растворимости (или адсорбируемости) разделяемых компонентов. Через хроматографиче- скую колонку быстрее движется тот компонент, растворимость которого в неподвижной фазе меньше, а летучесть при данной температуре больше.

Особенностью использования метода газоадсорбционной хроматографии является то, что в качестве подвижной фазы применяют адсорбенты с высокой удельной поверхностью (10 - 1000 м2'г_1), и распределение веществ между неподвижной и подвижной фазами определяется процессом адсорбции.

В качестве адсорбентов в ГАХ в основном используют активные угли, силикагели, пористое стекло, оксид алюминия[8], [3].



Хроматографические параметры. На рис. 1 представлена идеализированная хроматограмма смеси двух веществ. По оси абсцисс отложено время хроматографирования (можно отложить объем элюата), по оси ординат -- аналитический сигнал, зависящий от концентрации веществ в элюате (отклик А). Рассмотрим основные хроматографические параметры, характеризующие поведение вещества в колонке. Время от момента ввода анализируемой пробы до регистрации максимума пика называют временем удерживания (элюи- рования) tR. Время удерживания складывается из двух составляющих -- времени пребывания вещества в подвижной tm и неподвижной ts фазах. Значение tm фактически равно времени прохождения через колонку несорбируемого компонента. Значение не зависит от количества пробы, но зависит от природы вещества и сорбента, а также упаковки сорбента и может меняться от колонки к колонке. Поэтому для характеристики истинной удерживающей способности следует ввести исправленное время удерживания t'R:

tR -- tR -- tm. (1.2)

Для характеристики удерживания часто используют понятие удерживаемою объема VR -- объем подвижной фазы, который нужно пропустить через колонку с- определенной скоростью, чтобы элюировать вещество:

VR = tRF, (1.3)

где F-- объемная скорость потока, см3 *с-1.

Объем для вымывания несорбируемого компонента выражается через tm:Vm = tmF. Исправленный удерживаемый объем соответственно равен



Vk = VR-Vm, (1.4)

При постоянных условиях хроматографирования (скорость потока, давление, температура, состав фаз) значения tR и VR строго воспроизводимы и могут быть использованы для идентификации веществ.

Массу вещества, вымываемого из колонки, можно найти по площади под кривой элюирования:

где с -- концентрация, ммоль/мл; V-- объем, мл.

Полезным параметром в хроматографии может быть коэффициент удерживания (замедления) R -- отношение скорости движения вещества к скорости движения подвижной фазы:

где L -- длина колонки. Таким образом, R показывает, какую долю времени вещество находится в подвижной фазе, учитывая (1.1), получаем

Для неудерживаемого вещества tR = tm ж R = 1. Если время пребывания в подвижной и неподвижной фазах одинаково (tm = tj, то R =0,5. Очевидно, что R можно выразить через VR:

Любой процесс распределения вещества между двумя фазами характеризуют коэффициентом распределения D (см. гл. 7). В данном случае D = cs/cm, где ст и cs -- концентрации вещества в подвижной и неподвижной фазах соответственно. Коэффициент распределения связан с хромато- графическими параметрами. Действительно, отношение времени пребывания вещества в неподвижной и подвижной фазах равно отношению количеств вещества в фазах с V:

...