Главная Коллекция "Revolution" Экология и охрана природы Эколого-аналитическая оценка воздействия ракетно-космической деятельности на объекты окружающей среды в районах европейского севера Российской Федерации

Эколого-аналитическая оценка воздействия ракетно-космической деятельности на объекты окружающей среды в районах европейского севера Российской Федерации

Выявление последствий эксплуатации ракетно-космической техники. Оценка влияния токсичных компонентов ракетного топлива на экологическое состояние природных вод, растительности и торфяно-болотной почвы районов падения отделяющихся частей ракет-носителей.

Рубрика Экология и охрана природы
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 02.04.2018
Размер файла 702,5 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Эколого-аналитическая оценка воздействия ракетно-космической деятельности на объекты окружающей среды в районах европейского севера Российской Федерации

Бырька Андрей Анатольевич

Специальность 03.02.08 - «Экология»

Химические науки

Архангельск - 2011

Работа выполнена на кафедре теоретической и прикладной химии Северного (Арктического) федерального университета.

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Боголицын Константин Григорьевич.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор, Мартынов Борис Иванович;

доктор технических наук, профессор, Пашинин Валерий Алексеевич.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Академия гражданской защиты МЧС РФ».

Защита диссертации состоится «10» ноября 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.155.13 при Московском государственном областном университете по адресу: 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. В. Волошиной, 24, 131 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета по адресу: г. Москва, ул. Радио, 10а; http://www.mgou.ru.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять в диссертационный совет Д 212.155.13 при Московском государственном областном университете по адресу: 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. В. Волошиной, 24.

Автореферат разослан: 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, доцент Снисаренко Т.А.

Общая характеристика работы

Актуальность исследований.

Космическая деятельность государства - важнейший фактор обеспечения национальной безопасности, а также технологического, военно-политического и социально-экономического развития страны. В соответствии с Законом Российской Федерации «О космической деятельности» она относится к одному из главных приоритетов государственной политики и обеспечивает выполнение важных экономических, научно-технических и оборонных задач России.

Космодром «Плесецк» является самым северным и одним из самых эксплуатируемых космодромов в мире, который осуществляет ракетно-космическую деятельность (РКД) на территории Архангельской области.

Ныне космодром «Плесецк» является крупнейшим космодромом России, который эффективно испытывает перспективные ракеты космического назначения и космические аппараты и осуществляет пуски ракет военного, социально-экономического и научного назначения, а также - пуски по программам международного сотрудничества. На протяжении последних 50-ти лет с момента образования космодрома произведено более 1500 пусков ракет-носителей (РН) и выведено на орбиту около 2000 космических аппаратов.

По мере появления все более современных и перспективных ракет космического назначения, увеличения частоты пусков (в 70-80 гг. XX века с космодрома «Плесецк» производилось до 40% мировых космических запусков), накопления опыта эксплуатации ракетно-космической техники (РКТ) постепенно пришло понимание, что такая техника существенно влияет на окружающую среду. В данный момент считается, что на Европейском Севере РФ ракетно-космическая техника - это один из важных (хотя, безусловно, и не единственный) источников антропогенного воздействия на экосистемы.

В связи с этим возникла необходимость проведения экологических исследований в области воздействия РКТ космодрома «Плесецк» на природную среду, которые могли бы дать объективную информацию о масштабах и интенсивности этого воздействия. Одним из факторов такого воздействия является попадание в объекты окружающей среды компонентов ракетного топлива при пусках ракет-носителей и при падении отделяющихся частей РН в отведенные для этого районы падения.

Ключевым направлением исследования по оценке факторов воздействия ракетно-космической деятельности на окружающую природную среду является изучение содержания и трансформации токсичных компонентов ракетного топлива (КРТ), в частности несимметричного 1,1-диметилгидразина (НДМГ) и продуктов его разложения, в объектах окружающей природной среды.

Следовательно, актуальной научной задачей является оценка химического воздействия РКД на экологическое состояние объектов окружающей среды с использованием высокоэффективных методов определения токсичных компонентов ракетного топлива в экосистемах, характерных для Европейского Севера РФ, что предусматривает создание эффективной системы аналитического контроля и экологического мониторинга, основанных на современных аналитических методах и системах контроля состояния объектов окружающей среды.

Объект исследований - стартовые комплексы космодрома «Плесецк» и районы падения отделяющихся частей ракет-носителей (ОЧРН) Архангельской области «Койда» и «Мосеево».

Цель исследований - оценка влияния химического воздействия ракетно-космической деятельности на экологическое состояние объектов окружающей среды с использованием современных высокоэффективных методов определения токсичных компонентов ракетного топлива в экосистемах, характерных для Европейского Севера РФ

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) На основе анализа существующих методов определения токсичных КРТ предложить наиболее эффективные, экспрессные и информативные методы эколого-аналитического контроля загрязнения окружающей среды территорий подверженных влиянию химического воздействия РКД;

2) Оценка экологического состояния объектов окружающей среды в зоне действия космодрома «Плесецк» и районов падения ОЧРН Архангельской области;

3) Разработка предложений по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей среды.

Научная новизна результатов исследований.

Выполнен сравнительный анализ химического воздействия пусков РН легкого класса на объекты окружающей среды стартовых комплексов космодрома «Плесецк».

Выполнен сравнительный анализ, определены и обоснованы наиболее информативные физико-химические методы эколого-аналитического контроля в зоне влияния космодрома «Плесецк».

Впервые с применением современных высокоэффективных методов анализа выполнены комплексные исследования по химическому воздействию ракетно-космической деятельности на экологическое состояние объектов окружающей природной среды районов падения ОЧРН, расположенных на территории Европейского Севера РФ. Показано распределение НДМГ и продуктов его разложения в глубинных слоях торфяно-болотной почвы, а также горизонтальное распространение токсичных компонентов ракетного топлива в экосистемах мест падения ОЧРН во времени.

Практическое значение результатов исследований.

Осуществлена оценка экологического состояния объектов окружающей природной среды в зоне действия космодрома «Плесецк» и районов падения ОЧРН Архангельской области. Выработаны предложения по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей природной среды применительно к заболоченным территориям Европейского Севера РФ.

Реализация результатов исследований.

Применяемые методы в эколого-аналитической оценке состояния объектов окружающей природной среды районов падения ОЧРН Архангельской области успешно применяются Северным (Арктическим) федеральным университетом (Аналитическим центром) при выполнении работ в рамках федеральной целевой программы «Развитие российских космодромов» на 2006 - 2015 г.г. при выполнении экологического мониторинга районов падения ОЧРН Северо-запада РФ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Применение ионной хроматографии с амперометрическим детектированием как высокоэффективного аналитического метода эколого-аналитического контроля, который используется в экспериментальных исследованиях по оценке химического воздействия РКД в районах падения ОЧРН Архангельской области.

2. Оценка химического загрязнения объектов окружающей природной среды стартовых комплексов космодрома «Плесецк» при пусках РН легкого класса.

3. Оценка воздействия токсичных компонентов ракетного топлива на экологическое состояние природных вод, растительности и торфяно-болотной почвы районов падения ОЧРН Архангельской области «Койда» и «Мосеево» по результатам экспериментальных исследований, проведенных на основе обследования территорий и данных химического анализа, проведенного в лабораторных условиях.

4. Предложения по совершенствованию системы экологического мониторинга химического воздействия РКД на объекты окружающей природной среды.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения диссертационной работы, выводы и рекомендации являются результатом натурных и лабораторных исследований, проведенных с применением химических и современных физико-химических методов анализа с использованием поверенной и калиброванной аппаратуры. Для получения экспериментальных результатов использованы стандартные методы исследований и аттестованные методики анализа.

Апробация работы и публикации. Материалы исследования представлены и обсуждены на международных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе на: ежегодных научно-практических конференциях научных и инженерно-технических работников космодрома «Плесецк» (Мирный, 2007 - 2010), II Международном форуме «Аналитика и Аналитики» (Воронеж, 2008), научно-практической конференции «Экологические и медико-социальные аспекты использования районов падения отделяющихся частей ракет» (Архангельск, 2008), заседании Всероссийской школы молодых ученых «Сверхкритические флюидные технологии в решении экологических проблем» (Архангельск, 2010), Международном симпозиуме «Экология арктических и приарктических территорий» (Архангельск, 2010), II Международной конференции «Актуальные проблемы биоэкологии» (Москва, 2010).

По материалам диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе - 3 статьи в научных журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы, включающего 136 библиографических ссылок, из них 18 из зарубежных источников. Содержание работы изложено на 114 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков и 21 таблиц.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследований, теоретически обоснованы пути их реализации, получены и интерпретированы экспериментальные результаты.

Содержание работы

Глава 1. Основные характеристики ракетно-космической техники космодрома «Плесецк», определяющие интенсивность воздействий на окружающую природную среду.

В первой главе представлена историческая хроника создания космодрома на Европейском Севере России, а также его значимость для освоения околоземного космического пространства - в период 70 - 80 годов 20-го столетия космодром «Плесецк» являлся самым «рабочим» космодромом мира.

Приведена характеристика космодрома «Плесецк»: месторасположение (рис.1), структура, динамика пусков, типы используемых ракет-носителей и используемые ими компоненты ракетных топлив.

Показано, что у 3-х типов ракет-носителей легкого класса («Циклон - 3», «Космос - 3М», «Рокот»), пускаемых с космодрома «Плесецк», компонентами топлива являются несимметричный диметилгидразин и азотные окислители, в качестве которых используются тетраоксид азота (N2O4) и азотная кислота (шифр - АК-27И). Основным недостатком этих топливных пар является высокая токсичность самих компонентов топлива. Приведены основные понятия ракетно-космической деятельности, космической техники, ракет-носителей и космических аппаратов, а также - стартовых комплексов космодрома, описаны экосистемы территории расположения космодрома «Плесецк» и районов падения ОЧРН Архангельской области. Представлена природно-климатическая характеристика космодрома. Описание почв, гидрологической сети, растительности и животного мира показывает уникальность и чувствительность северной природы.

Приведена эколого-токсикологическая характеристика компонентов ракетного топлива, применяемых в РН легкого класса. Особое внимание уделено описанию НДМГ.

НДМГ - высокотоксичное вещество и относится к веществам первого класса опасности, которое в РКТ применяется в качестве горючего. По химическому составу НДМГ это производное гидразина (N2H4).

Химическая формула:

Среди факторов негативного экологического воздействия является его способность к образованию широкого спектра продуктов его разложения в объектах окружающей природной среды, общее число которых достаточно сложно спрогнозировать.

В работах кафедры аналитической химии химического факультета МГУ им. Ломоносова отмечено, что при окислении НДМГ были идентифицированы 13 продуктов его разложения в водно-почвенных суспензиях с высокой степенью достоверности (табл.1). Реакции окисления и разложения НДМГ это сложные последовательные и параллельные реакции, многие из которых имеют многостадийный характер.

Таблица 1 - продукты разложения НДМГ при его окислении в водно-почвенных суспензиях

№ п/п

Вещество

Структура

№ п/п

Вещество

Структура

1

Диметилгидразон

формальдегида (C3N2H8)

8

1,5,5-триметилформазан

(C4N4H10)

2

Триметилгидразин (C3N2H10)

9

Диметиламин

(C2NH7)

3

N-метил-N,N-диметил-Метандиамин

(С4N2Н11)

10

N-нитрозодиметил

амин

(СН3)2NNO

4

1-метил-1,2,4триазол (C3N3H5)

11

Тетраметил

тетразен

(С4Н12N4)

5

1,1-диметилгуанидин (С3N3H9)

12

Метилгидразин (CN2H6)

6

Диметилгидразон ацетальдегида (C4N2H10)

13

Диметилгидразон глиоксаля

(C6N4H14)

7

Диметилгидразид муравьиной кислоты

(C3N2H8O)

-

-

-

В диссертационной работе приведены санитарно-гигиенические нормативы содержания НДМГ и продуктов его разложения при воздействии их на компоненты природной среды. Показаны основные продукты его разложения, дана их характеристика. Также дано описание физико-химических и токсикологических свойств азотных окислителей: тетраоксида азота и азотной кислоты.

Описан процесс выведения ракетой-носителем космического аппарата и образование районов падения ОЧРН. Показано расположение районов падения ОЧРН на территории Архангельской области. На рисунке 2 показана схема образования районов падения ОЧРН.

Обозначение: РП1, РП2, РП3 - районы падения ОЧРН, КА - космический аппарат

Рисунок 2 - Процесс выведения ракетой-носителем КА и образование районов падения ОЧРН (на примере РН «Космос-3М)

Особое внимание уделено актуальности проблеме химического воздействия РН легкого класса на объекты окружающей природной среды районов падения (РП) ОЧРН Архангельской области. Так, из 11 районов падения ОЧРН наиболее опасными в экологическом отношении являются районы падения «Койда» и «Мосеево», которые расположены на территории Мезенского района Архангельской области. Данные районы ориентированы на прием отделяющейся первой ступени РН «Циклон-3», использующей в качестве топливной пары НДМГ + тетраоксид азота.

Характеристика экосистем районов падения «Койда» и «Мосеево», включает сведения о гидрологической среде, климате, почвах и растительном покрове. Территория районов характеризуется континентальным климатом с продолжительной суровой многоснежной зимой, короткой весной с неустойчивыми температурами, относительно коротким и умеренно теплым увлажненным летом, продолжительной и сырой осенью. Отмечено, что более 50% территорий данных районов падения ОЧРН занимают болота, многие из них, сливаясь, образуют болотные системы. Почвы на территории РП характеризуются кислой реакцией, преобладанием восстановительных процессов и низкой минерализацией почвенно-грунтовых вод. Из факторов почвообразования на Европейском Севере один характеризуется максимальным содержанием воды. Все почвы Мезенского района несут в себе признаки, обусловленные этим фактором. Преобладают почвы подзолистого типа, представленные подтипами глеево-подзолистых, типичных подзолистых почв, болотно-подзолистые и болотные почвы; часто встречаются дерново-карбонатные и дерново-глеевые, реже - пойменные аллювиальные. Гидрологическая сеть представлена небольшими реками и озерами. Среди растительности преобладают еловые леса с примесью березы на заболоченных водоразделах и сосны - на сухих придолинных участках. Подлесок - редкий, из можжевельника, рябины и шиповника. На склонах в наземном покрове преобладают зеленые мхи и ягодники, в понижениях - осоки и мох сфагнум. Массивы болот безлесны, лишь гряды покрыты тонкоствольным низкорослым редколесьем. По долинам рек нередки заросли кустов ивы.

Представлена характеристика первой ступени РН «Циклон-3» и остатки КРТ в ступени при её падении в районы падения. Данная ступень является единственной ОЧРН с токсичными КРТ из всего ракетного парка космодрома, которая при отделении падает в сухопутные районы падения Архангельской области, оказывая химическое воздействие на экосистемы районов.

Глава 2. Экологические последствия эксплуатации ракетно-космической техники.

Во второй главе большое внимание уделено изучению химического загрязнения объектов окружающей среды в процессе эксплуатации ракетно-космической техники, которое является одним из основных факторов воздействия РКД на экосистемы. Это воздействие обусловлено попаданием в объекты окружающей природной среды веществ различной природы, являющихся компонентами ракетного топлива и продуктами их разложения или сгорания.

Описано экологическое воздействие РКТ на окружающую природную среду в процессе предстартовой подготовки и при пуске ракет-носителей. Дана характеристика составных частей и агрегатов участвующих в подготовке РН на стартовом комплексе. Особое внимание уделено процессу заправки компонентами ракетного топлива ступеней РН. При этом показаны факторы возможного загрязнения ОПС на этапах предстартовой подготовки РН к пуску, а также во время пуска.

Показана опасность химического загрязнения объектов окружающей природной среды (почвы, воды, растительности и атмосферного воздуха) токсичными компонентами ракетного топлива стартовых комплексов космодрома «Плесецк» при пуске РН и падении ОЧРН в районы падения. Приведены их биогеохимические свойства и описано поведение токсичных компонентов ракетного топлива при попадании их в объекты окружающей природной среды. При этом ракетное топливо претерпевает различные физико-химические превращения: испаряется с поверхности пролива, сорбируется почвой, донными отложениями, разбавляется грунтовыми водами, растворяется в водных объектах, перерабатывается микроорганизмами и усваивается растениями. Особое внимание уделено процессам миграции НДМГ и продуктов его разложения в природной среде, так же показано регулирование геохимических потоков данных исследуемых поллютантов в водных и почвенных экосистемах.

Приведены санитарно-гигиенические нормативы токсичных компонентов ракетного топлива, попадающих в объекты окружающей среды при падении ОЧРН в районы падения.

Дано описание последствий аварийных ситуаций при эксплуатации ракетно-космической техники. Приведены статистические данные успешных и аварийных пусков РН легкого класса с космодрома «Плесецк». Особое внимание уделено описанию химического загрязнения объектов окружающей среды в случаях нештатных и аварийных ситуаций (например взрыв РН), что являются мощным фактором загрязнения ОПС, нарушающим нормальную экологическую обстановку в районе аварии.

Представлена организация проведения экологического мониторинга на космодроме «Плесецк» и в районах падения ОЧРН Архангельской области, также дано описание состава и оборудования химико-аналитического центра космодрома.

Глава 3. Методическая часть.

3.1. Методика отбора проб компонентов природной среды на территории районов падения ОЧРН

Автором совместно с сотрудниками кафедры теоретической и прикладной химии Северного (Арктического) федерального университета (С(А)ФУ) проведены экспедиционные исследования в районах падения ОЧРН «Койда» и «Мосеево». В период с 22 по 23 октября 2007 г., проведен отбор проб объектов окружающей природной среды в районе падения ОЧРН «Койда» с координатами 6610,266 / СШ и 04301,048/ ВД.

В период с 24 по 30 августа 2009 г. проведен отбор проб объектов окружающей природной среды в районе падения ОЧРН «Мосеево». При этом в данном районе отбор проб произведён с двух мест падения ОЧРН «Циклон-3», расположенных друг от друга на расстоянии около 1 км. (первое место падения с координатами 65°33'59,7" СШ и 045°50'41,1" ВД, второе место с координатами 65°33'38,2"СШ и 045°49' 44,2" ВД).

Показано, что в соответствии с методикой, в районах падения при обнаружении ОЧРН отбор проб почв производился азимутальным методом (или методом концентрических окружностей), который заключался в отборе проб с эпицентра места падения и на заданных расстояниях от него (рисунок 3). Данный метод позволяет выявить вертикальную миграцию поллютантов в глубину почвы, а также горизонтальное их распространение от эпицентра падения ОЧРН.

В районе падения «Койда» послойный отбор проб почв производился в месте падения ОЧРН на заданном расстоянии по следующим глубинам:

- эпицентр падения (на краю воронки) с глубин: 0-20 см (поверхностный слой), 30-40 см, 50-60 см, 70-80 см, 90-100 см;

- 5 м от эпицентра падения в сторону протекающего в непосредственной близости ручья (предположительно - по направлению стока грунтовых вод) с глубин: 0-20 см, 30-40 см, 50-60 см, 70-80 см, 90-100 см;

- 10 м от эпицентра падения в сторону протекающего в непосредственной близости ручья (предположительно - по направлению стока грунтовых вод) с глубин: 0-20 см, 30-40 см, 50-60 см, 70-80 см, 90-100 см;

- 10 м от эпицентра падения в сторону противоположную от протекающего в непосредственной близости ручья (предположительно - против направления стока грунтовых вод) с глубин: 0-20 см, 30-40 см;

- в 50 м от эпицентра падения с глубины 0-20 см.

В районе падения «Мосеево» послойный отбор проб почв производился в эпицентре (на краю воронки) с глубин: 0 - 20 см, 20 - 40 см, 40 - 60 см, 60 - 80 см и 80 - 100 см. И такой же послойный отбор проб почв производился в 10 метрах от эпицентра падения на север, юг, запад и восток. На расстоянии 50м от эпицентра падения производился отбор проб поверхностного слоя почвы.

Рисунок 3 - Послойный отбор проб почв с удалением в 10м от эпицентра падения

Также в соответствии с методиками во всех трех местах падения и на различном удалении от них был произведен отбор проб поверхностных вод и растительности, в том числе ягод.

В ранее проведенных экспедиционных исследованиях в районах падения было установлено, что токсичные КРТ не распространяются более 50 м от мест падения ОЧРН. Поэтому применяемые методики отбора проб были разработаны исходя из результатов прошлых исследований в районах падения.

Кроме того, с целью фонового обследования состояния окружающей природной среды были проведены исследования по отбору проб на фоновых участках. Это участки природной среды, находящиеся на различных расстояниях от мест падения ОЧРН и в ближайших к районам падения населенных пунктах. При этом в населенных пунктах (село Койда, п. Бычье), кроме проб почвы, воды и растительности, от местных жителей получены клубни картофеля, выращенного на приусадебном участке, и речная рыба, выловленная в местных реках (реки Койда, Чеза).

3.2. Методика отбора проб компонентов природной среды на территории стартовых комплексов космодрома «Плесецк»

Кроме проведенных исследований по оценке химического воздействия РКД в районах падения ОЧРН «Койда» и «Мосеево» в диссертационной работе представлен сравнительный анализ результатов, проведенных экспериментальных исследований по оценке состояния окружающей природной среды, в районах стартовых комплексов космодрома «Плесецк». Данные исследования проводились по пускам РН «Рокот» (2000 и 2003 г. г.) и РН «Космос-3М» (2000 г.). Отбор проб в районах стартовых комплексов производился в соответствии с документацией химико-аналитического центра космодрома (рис. 4 - 6).

Рисунок 4 - Места отбора проб в районе стартового комплекса РН «Рокот», 16.05.2000 г

Рисунок 5 - Места отбора проб на определение НДМГ в районе стартового комплекса РН «Рокот», 3.11.2003 г.

Рисунок 6 - Места отбора проб в районе стартового комплекса РН «Космос-3М», 28.06.2000 г

3.3. Методы контроля концентрации компонентов ракетного топлива в воздушной среде

Представлены применяемые на космодроме методы аналитического контроля концентраций токсичных КРТ при пуске РН или при возникновении аварийных ситуаций. Дана характеристика и принцип действия приборов, предназначенных для осуществления контроля.

3.4. Характеристика лабораторных методов химического анализа используемых для определения содержания токсичных КРТ в объектах окружающей среды

Дано описание традиционных классических лабораторных методов анализа спектрофотометрии и хромато-масс-спектрометрии, которые применялись в подобных исследованиях для оценки экологического воздействия токсичных компонентов ракетного топлива на объекты окружающей природной среды. Показано, что для измерения массовой концентрации НДМГ в объектах окружающей природной среды данные методы проводятся с предварительной дериватизацией, которая основана на аналитической реакции превращения НДМГ в другие окрашенные соединения (гидразоны), обладающие определенными свойствами, для получения аналитического сигнала и установления концентраций.

Отмечено, что в работах кафедры аналитической химии химического факультета МГУ им. Ломоносова при проведении лабораторных исследований по изучению распространения токсичных КРТ в объектах окружающей природной среды, кроме НДМГ, выявлены продукты его разложения, среди которых были гидразин и метилгидразин, содержание которых значительно превышает содержание других продуктов разложения НДМГ. Поэтому в районах падения ОЧРН в отобранных пробах наряду с НДМГ, в ходе химического анализа определялось содержание данных продуктов его трансформации, токсичность которых сопоставима с токсичностью НДМГ. Гидразин и метилгидразин являются важными и непременными спутниками несимметричного диметилгидразина, поэтому их обнаружение в пробе является дополнительным доказательством правильности идентификации НДМГ.

Лабораторные исследования отобранных проб с РП ОЧРН проведены автором совместно с сотрудниками кафедры теоретической и прикладной химии С(А)ФУ на базе Аналитического центра С(А)ФУ (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.516411, лицензия на осуществление деятельности в области гидрометеорологии и смежных с ней областях Р/2007/0168/100/Л). Химический анализ проб проведен с использованием метода ионной хроматографии с амперометрическим детектированием. Сущность данного использованного метода состоит в разделении гидразинов в катионной форме на сульфокатионообменных сорбентах с последующим количественным амперометрическим определением на стеклоуглеродном электроде. Амперометрическое детектирование проводилось на жидкостном хроматографе «Стайер», оснащенном амперометрическим детектором «АД». Разделение осуществляется в изократическом режиме на катионообменной колонке для анализа НДМГ и продуктов его трансформации.

Устанавливают следующие параметры работы хроматографа:

- режим работы насоса - постоянный расход;

- скорость подачи элюента - 1 мл/мин;

- потенциал электрода - 1300 мВ.

Катионообменную колонку тестировали с применением тестовой смеси гидразинов (государственные стандартные образцы с концентрацией 1мг/л), проверяли линейность градуировочных графиков и чувствительность хроматографа.

Количественное измерение массовой доли 1,1-диметилгидразина в отгоне из вытяжки почвы проводилось с помощью метода внешнего стандарта, который заключается в сравнении хроматограммы анализируемой пробы с хроматограммой градуировочного раствора, по составу максимально близкому к анализируемому.

Рисунок 7 - блок-схема использованной хроматографической системы при выполнении измерений концентраций НДМГ и продуктов его разложения

Анализируемую пробу (отгон) через катионообменную колонку вводили в хроматограф и с помощью программного обеспечения прибора по очереди идентифицируются пики 1,1-диметилгидразина и основных продуктов его разложения по времени удерживания, измерялась площадь пиков и так же с помощью программного обеспечения вычислялась концентрация анализируемых поллютантов. Далее в хроматограф вводили градуировочный раствор, площадь пика которого максимально близка к измеренному анализируемому раствору. После чего вычислялась площадь пиков НДМГ и основных продуктов его разложения для этого раствора. Метрологические характеристики методик измерения НДМГ и продуктов его разложения методом ионной хроматографии с амперометрическим детектированием приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Метрологические характеристики методик

Объект исследования

Диапазон измерений

Границы относительной погрешности (Р = 0, 95, n = 2), %

Почва

0,05 -10 мг/кг

не превыш. 53

Вода природная

0,01 - 0,2 мг/дм3

(24 - 60)

Растительность

от 0,1 до 10,0 мг/кг

свыше 10 до 50 мг/кг

Рисунок 8 - хроматограмма стандартной смеси гидразина, метилгидразина и НДМГ в водной вытяжке из образца почвы с концентрациями компонентов соответственно 0,1, 0,1 и 0,5 мг/л. Объем пробы - 100 мкл, скорость подачи элюента - 1 мл/мин

Данный метод позволяет, с одной стороны, раздельно определять НДМГ и основные продукты его разложения в ходе одного анализа (рис. 8), а с другой стороны, - достигать низких пределов обнаружения, характерных для вольтамперометрических методов анализа (табл. 2).

Кроме НДМГ и продуктов его трансформации в отобранных пробах воды и почвы из районов падения ОЧРН определено содержание нитрит- и нитрат-ионов, образующихся при взаимодействии ракетного окислителя (тетраоксида азота) с водой. Для анализа использован метод ионной хроматографии с кондуктометрическим детектированием и капиллярным подавлением фоновой электропроводности элюента.

Пробы воды непосредственно вводились в хроматографическую систему. Для анализа почвенных образцов использовалась водная вытяжка.

Метрологические характеристики согласно методики выполнения измерений нитритов и нитратов в почве и природной воде приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Метрологические характеристики методики

Наименование аниона

Диапазон измерений массовой концентрации, мг/дм3

Границы относительной погрешности (Р = 0,95, n = 2), %

Нитрит-ион

0,04 -1,0

25

Св. 1,0 до 10

20

Св. 10 до 100

15

Нитрат-ион

0,08 - 3,0

20

Св. 3,0 до 150

15

Глава 4. Результаты исследований.

4.1. Сравнительный анализ лабораторных методов определения токсичных КРТ в объектах окружающей природной среды

Автором проведен сравнительный анализ лабораторных методов анализа, применяемых в различных экспериментальных исследованиях по оценке экологического воздействия токсичных КРТ на объекты окружающей природной среды. Показано, что сравнивая вышеописанные лабораторные методы спектрофотометрии и хромато-масс-спектрометрии с методом ионной хроматографии с амперометрическим детектированием, можно отметить, что недостатком данных методов является, с одной стороны, меньшая чувствительность и, с другой стороны, неудовлетворительная селективность. В некоторых случаях, они часто дают ошибочные и завышенные результаты, вследствие проведения дериватизации с последующим влиянием других соединений на результаты определения поллютантов. Повышение селективности может быть достигнуто только сложными методами пробоподготовки, что в свою очередь увеличит время анализа до многих часов, а это крайне трудоемко в сравнении с ионной хроматографией (к примеру, пробы воды в ионной хроматографии анализируются примерно за 20 мин).

Таблица 4 - Сравнительная характеристика методов анализа

Критерий

Спектрофото-метрия

Хромато-масс-спектрометрия

Ионная

хроматография

Стоимость оборудования

~ 10 000 $

300 000 - 600 000$

10 000 - 20 000$

Селективность

Малая

Наивысшая

Высокая

Предел обнаружения

1 ppm

0,001 ppm

< 0,02 ppm

Пробоподготовка

Требуется

Требуется

Не требуется

Стоимость расходных материалов для проведения анализа

~10 р.

~1000 р.

~100 р.

Трудозатраты на анализ

Высокие

Высокие

Низкие

Поэтому сравнивая информативность, точность и экспрессность всех вышеописанных лабораторных методов анализа, которые применялись в различных экспериментальных исследованиях по оценке экологического воздействия токсичных компонентов ракетного топлива на объекты окружающей природной среды, можно сказать, что в основу исследований при проведении эколого-аналитического контроля и экологического мониторинга химического воздействия РКД следует включать метод ионной хроматографии с амперометрическим детектированием. Данный метод является высокочувствительным методом анализа и позволяет непосредственно прямым вводом в хроматограф без каких-либо дополнительных манипуляций раздельно определять НДМГ и основные продукты его разложения в объектах окружающей природной среды в ходе одного анализа за сравнительно короткое время.

Сравнивая характеристики методов анализа (таблица 4) можно сказать, что при достаточно высокой чувствительности применение метода ионной хроматографии с амперометрическим детектированием является более целесообразным с экономической точки зрения.

4.2. Оценка влияния химического воздействия ракетно-космической деятельности на экологическое состояние объектов окружающей среды

4.2.1. Оценка экологического состояния объектов окружающей среды в зоне действия космодрома «Плесецк»

В таблице 5 приведен перечень используемых компонентов окружающей среды, определяемых показателей и применяемые методы анализа при проведении исследований в районах стартовых комплексов после пусков РН «Рокот» и «Космос-3М» на космодроме «Плесецк».

Таблица 5 - Исследуемые компоненты окружающей среды и определяемые показатели при проведении исследований

Место проведения отбора проб

Обозначение мест проведения отбора проб

Определяемый показатель

Метод анализа

Исследуемые компоненты окружающей среды

16.05.2000 год, стартовый комплекс РН «Рокот» (места отбора проб показаны на рис. 4)

Пусковое устройство

Точка № 1

НДМГ

спектрофотометрия

Воздух

Точка № 2

CO, NO2, SO2

ионная хроматография

Район приемных колонок горючего

Точка № 3

НДМГ

спектрофотометрия

Воздух

Точки № 4-7

CO, NO2,SO2

ионная хроматография

Район приемных

колонок окислителя

Точка № 8

НДМГ

спектрофотометрия

Воздух

Точка № 9-12

CO, NO2, SO2

ионная хроматография

3.11.2003 год, стартовый комплекс РН «Рокот» (места отбора проб показаны на рис. 5)

Район

стартового стола

Точка № 1

НДМГ

спектрофотометрия

почва

Точка № 2

НДМГ

спектрофотометрия

почва

Точка № 3

НДМГ

спектрофотометрия

почва

Точка № 4

НДМГ

спектрофотометрия

почва

28.06.2000 год, стартовый комплекс РН «Космос-3М» (места отбора проб показаны на рис. 6)

Пусковое устройство

Точка № 1

НДМГ

спектрофотометрия

воздух

Точка № 2

CO, NO2 ,SO2,NO

ионная хроматография

Район подземного хранилища горючего

Точка № 3

НДМГ

спектрофотометрия

воздух

Точка № 4

CO, NO2 ,SO2 ,NO

ионная хроматография

Район подземного хранилища окислителя

Точка № 5

НДМГ

спектрофотометрия

воздух

Точка № 6

CO, NO2 ,SO2 ,NO

ионная хроматография

Анализ результатов химико-аналитических исследований отобранных в районах стартовых комплексов, после пусков РН «Космос-3М» и «Рокот» показал незначительный уровень химического воздействия РКД на окружающую природную среду (таблицы 6 и 7).

Таблица 6 - Результаты контрольного химического анализа при пуске РН «Рокот»

№

п/п

Дата

Место отбора

№ точки отбора

Компонент

С, мг/м3

С/ПДК

1

16.05.2000

исследуемый компонент окружающей среды - атмосферный воздух

Пусковая установка

1

НДМГ

0,16

1.6

Пусковая установка

2

CO

4,55

<1

NO2

2,05

3.3

SO2

7,00

<1

Район приемных колонок горючего

3

НДМГ

0,07

<1

Район приемных колонок горючего

4

CO

14,10

2.2

NO2

2,52

4.16

SO2

6,51

<1

Район приемных колонок горючего

5

CO

5,05

<1

NO2

0,92

1.5

SO2

8,10

<1

Район приемных колонок горючего

6

CO

7,08

1.1

NO2

1,50

2.5

SO2

4,15

<1

Район приемных колонок горючего

7

CO

6.52

<1

NO2

2,05

3.3

SO2

5,10

<1

Район приемных колонок окислителя

8

НДМГ

0,05

<1

Район приемных колонок окислителя

9

CO

1,95

<1

NO2

3,23

5.3

SO2

7,15

<1

Район приемных колонок окислителя

10

CO

3,71

<1

NO2

2,05

3.3

SO2

6,12

<1

Район приемных колонок окислителя

11

CO

4,02

<1

NO2

1,51

2.5

SO2

3,95

<1

Район приемных колонок окислителя

12

CO

5,05

<1

NO2

3,10

5

SO2

4,55

<1

2

3.11.2003

исследуемый компонент окружающей среды - почва

Район

стартового стола

1

НДМГ

0,06

<1

2

НДМГ

0,06

<1

3

НДМГ

0,16

1.59

4

НДМГ

0,08

<1

Таблица 7 - Результаты контрольного химического анализа при пуске РН «Космос-3М»

№

п/п

Дата

Место отбора

№ точки отбора

Компонент

C, мг/м3

С/ПДК

1

28.06.2000

исследуемый компонент окружающей среды - атмосферный воздух

Пусковая установка

1

НДМГ

0,22

2.2

Пусковая установка

2

CO

7,15

12

NO2

3,52

5.8

SO2

0,08

<1

NO

0,07

<1

Район хранилища горючего

3

НДМГ

0,04

<1

Район хранилища горючего

4

CO

0,09

<1

NO2

0,06

<1

SO2

0,08

<1

NO

0,07

<1

Район хранилища окислителя

5

НДМГ

0,08

<1

Район хранилища окислителя

6

CO

0,09

<1

NO2

6,05

10

SO2

0,08

<1

NO

0,05

<1

Анализ результатов проведенных исследований в районах стартовых комплексов показал следующее:

1. При пуске из двигательной установки РН происходит обширный выброс продуктов сгорания азотного окислителя (установлено превышение ПДК в среднем в диапазоне в 2,5 - 5 раз);

2. Установлено, что значения концентраций НДМГ, превышающие ПДК, отмечаются в единичных пробах: отмечается превышение ПДК в пробах, отобранных непосредственно с пусковой установки;

3. Уровень химического воздействия пусков РН на состояние окружающей среды в районе стартовых комплексов является незначительным и локальным.

4.2.2. Оценка экологического состояния объектов окружающей среды в районах падения ОЧРН

В районах падения ОЧРН «Койда» и «Мосеево» во всех исследованных пробах, отобранных вне мест падения ОЧРН, несимметричный диметилгидразин и продукты его разложения не обнаружены (содержание НДМГ ниже предела обнаружения использованных методик). Нитрат-ионы обнаруживаются в большинстве проб почв на уровне, соответствующем фоновой концентрации (до нескольких миллиграммов на килограмм). В водных объектах нитраты содержатся в незначительных количествах, несопоставимых с ПДК. В связи с этим очевидно, что содержание данного компонента не связано с ракетно-космической деятельностью и обусловлено исключительно естественными процессами круговорота азота в биосфере. Нитрит-ионы не обнаружены ни в одной пробе, что связано с их малой устойчивостью и способностью окисляться до нитратов.

Исследованные пробы растительности и воды в местах падения ОЧРН и в некотором удалении (10 - 50м) от эпицентра мест падения показали, что существенного влияния ракетно-космической деятельности на растительность и воду не выявлено.

Изучение возможности миграции НДМГ в глубинные слои почвенного покрова приобретает особую важность при оценке степени загрязненности мест падения ОЧРН токсичными компонентами ракетного топлива. Поэтому является важным изучение распространения НДМГ и продуктов его трансформации в глубинные слои почвы (до 1 м.) с учетом того, что тип почвы в исследуемых местах падения - торфяно-болотная. Проведенный анализ отобранных в районах падения «Койда» (отбор проб произведен в 2007г.) и «Мосеево» (отбор проб произведен в 2009г) проб с эпицентров падения ОЧРН показал, что пробы содержали значительные концентрации НДМГ с неравномерным распределением по вертикальному профилю почвы (рисунок 9).

На основании проведенных исследований можно предположить, что НДМГ способен накапливаться в поверхностных водах торфяно-болотных почв с дальнейшей миграцией в поверхностные и глубинные слои почв. Это приводит к перераспределению его концентраций в различных горизонтах, при этом переход НДМГ в связанные формы в почве (например, за счет образования гидразонов с гумусовыми кислотами органической части почвы) не является абсолютно необратимым.

а б

Рисунок 9 - Распределение концентраций НДМГ и продуктов его разложения в глубинные слои почв в эпицентрах мест падения ОЧРН а) РП «Койда», 2007г. (координаты 6610,266 / СШ и 04301,048/ ВД) б) РП «Мосеево», 2009г. (координаты 65 ° 33 ' 38,2 " СШ и 045 ° 49 ' 44,2 " ВД)

Экспериментальные результаты свидетельствуют, что максимальное аккумулирование НДМГ происходит в слоях почвы, лежащих на глубине 40-70 см. С учетом глубины промерзания торфяно-болотных почв (1,2 - 1,5 м) в исследуемых районах падения ОЧРН можно утверждать, что максимальная глубина проникновения НДМГ в эпицентре падения ОЧРН может достигать 1 м и носить локальный характер. Анализ данных по содержанию НДМГ на глубине 1 м в зависимости от расстояния указывает на то, что ракетное топливо не распространяется в горизонтальных глубинных слоях почвенного покрова. Так при удалении на 10 метров от эпицентров мест падения (воронка от падения ОЧРН в РП «Койда» и воронка в РП «Мосеево») на глубине один метр наличия НДМГ и продуктов его разложения не выявлено, что доказывает локальный характер загрязнения.

В 2009 году автором также были проанализированы отобранные пробы из эпицентра второго места падения ОЧРН в РП «Мосеево» с координатами 65°33'59,7" СШ и 045°50'41,1" ВД. Данное место падения расположено на расстоянии около 1км от первого, и отбор проб был произведён в один день сразу с двух мест падения. На рисунке 10 представлены данные о распространении НДМГ и продуктов его разложения в глубинных слоях почвы в эпицентре второго места падения ОЧРН в РП «Мосеево».

Рисунок 10 - Распределение концентраций НДМГ и продуктов его разложения в глубинные слои почв в эпицентре второго места падения ОЧРН РП «Мосеево», 2009г. (координаты 65°33'59,7" СШ и 045°50'41,1" ВД)

Аналогично другим местам падения, видно (рис. 10), что глубина проникновения НДМГ составляет порядка 1 м. При этом наибольшая концентрация НДМГ наблюдается на глубине 20 - 40 см: 9,8 мг/кг. Концентрация незначительно снижается на глубине 40 - 80 см, а на глубине 1 метр показывает значительную убыль до 2,3 мг/кг. Одновременно с этим, наличие НДМГ было обнаружено только в пробе поверхностного слоя почвы (до 20см) при удалении на 10 метров на север (0,08 мг/кг или 0,8 ПДК). В других пробах наличия НДМГ и продуктов его разложения не выявлено.

Необходимо отметить, что такие высокие (десятки ПДК) концентрации НДМГ наблюдались только в местах падения ОЧРН (в эпицентрах) данных районов падения (таблицы 8 и 9). При этом на удалении даже в 10 метров от эпицентров падения содержание НДМГ и продуктов его разложения либо сильно падало, либо не наблюдалось вовсе.

Учитывая сильную заболоченность именно мест падения, можно предположить, что НДМГ прочно связывается с гуминовыми компонентами торфа в эпицентрах падения и не распространяется далее 10 - 50 метров по поверхностным слоям почв. При этом максимум концентрации в эпицентрах падения ОЧРН меняется в зависимости от количества воды в почве: чем большее количество воды наблюдается на месте падения, тем больше концентрация НДМГ и продуктов его разложения.

Таблица 8 - Результаты анализа проб, отобранных в РП «Койда», 2007 г.

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены

Шифр пробы

Удаление т эпицентра, глубина отбора (для почвы)

Концентрация, мг/л (мг/кг)

нитрит

нитрат

гидразин

метил

гидразин

НДМГ

место падения ОЧРН с координатами 6610,266 / СШ и 04301,048/ ВД

П-31

10 м (30см.)

< 0,04

0,18

< 0,05

0,06

0,08

П-30

10 м (до 20см.)

< 0,04

< 0,08

< 0,05

< 0,05

< 0,05