Исследовательская работа Экологический мониторинг воздуха

ФЕДЕРАЛЬНОЕГОСУДАРСТВЕННОЕБЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГООБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ»

БИРСКИЙФИЛИАЛ

ФАКУЛЬТЕТ БИОЛОГИИ И ХИМИИ

КАФЕДРАХИМИИ И МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ ХИМИИ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Лыгин Сергей Александрович

Никонова Надежда Андреевна

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОЗДУХА

Бирск-2016

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Любая система контроля природной среды включает экологический мониторинг - систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния экологических систем и их элементов, происходящих под влиянием природных и антропогенных воздействий.   

Мониторинг (от лат. monitor - тот, кто напоминает, предупреждает)- слежение за какими-либо объектами, явлениями, в том числе биологического характера. В наиболее полном виде многоцелевая информационная система, основные задачи которой наблюдение, оценка и прогноз состояния природной среды под влиянием антропогенного воздействия с целью предупреждения о создающихся критических ситуациях[1].

Мониторингом окружающей среды называют регулярные наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить определенные изменения их состояния. Основной целью экологического мониторинга является создание информационной основы принятия управленческих решений в области охраны природы, природопользования и экологической безопасности. Анализ полученных данных проведенного экологического мониторинга состоит из нескольких последовательных этапов, окончание каждого из которых знаменует собой получение самостоятельного экологического результата.  

Особое внимание уделяется экологическому мониторингу атмосферного воздуха.

Экологический мониторинг атмосферного воздуха представляет собой систематическое измерение количества загрязняющих веществ в атмосфере с целью оценки качества воздуха и степени воздействия загрязняющих веществ на чувствительные объекты, например: люди, животные, растения.

Косвенной целью мониторинга является локализация местоположения и идентификация источника загрязнения воздуха (т. н. казуальный анализ).

Ныне действующая система экологического мониторинга воздуха обеспечивает решение следующих задач[2]:

ü    контролирование над соблюдением государственных и международных стандартов качества атмосферного воздуха;

ü    получение объективных данных для разработки природоохранных мероприятий, градостроительного планирования и планирования развития транспортных систем;

ü    оценка эффективности природоохранных мероприятий.

Для решения данных задач необходимо знание основы экологического мониторинга воздуха: роль и состав атмосферы, основные токсиканты воздуха, влияние экологических факторов на человека, методы, с помощью которых проводится оценка степени загрязненности воздуха.

1 Роль и состав атмосферы (постоянные и случайные переменные)

Атмосфера - это внешняя газовая оболочка Земли, которая образуется у ее поверхности и распространяется в космосе приблизительно на 3000 км.  Без  этой оболочки на Земле не возможна жизнь. Всякое живое существо всю свою жизнь на Земле и в воде дышит, в результате обогащая кислородом кровь. Дышат также и растения, поглощая углекислый газ и выделяя кислород.

Газовая оболочка спасает Землю от чрезмерного нагревания и охлаждения, т.к. воздух легко пропускает солнечные лучи, нагревающие землю, и не пропускает тепловые излучение. Поэтому на Земле не бывает резких переходов от жары к холоду. Если бы не было атмосферы, тогда бы постоянно наблюдались резкие температурные изменения. В действительности средняя температура у поверхности земли составляет 15°С, что является благоприятным для жизни.

Очень важная роль атмосферы заключается в распространении влаги, так как она способствует образованию туманов и переносу дождевых облаков.

Нельзя не отметить её влияние на звук, потому что в разрежённых слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным.

Специалисты, которые изучают атмосферу, выделяют в ней несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их температуры[3].

Самый близкий к поверхности Земли слой называется тропосферой. В этом слое высотой 9-10 км в основном происходят все те явления, которые мы именуем погодой. Именно в этой части атмосферы образуются все осадки в виде дождей, почти все облака и возникает подавляющее число гроз и штормов. С увеличением высоты температура в атмосфере обычно понижается.

Выше тропосферы располагается стратосфера. Температура в этом слое сначала остается постоянной, а затем начинает повышаться с высотой. В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона, и именно это обстоятельство обусловливает такое повышение температуры. Дело в том, что озон поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев стратосферы.

Рисунок  1 - Строение атмосферы

На высоте более 50 км начинается мезосфера - зона, где температура опять понижается. Наконец, еще выше (более 80 км) над земной поверхностью расположена термосфера, не имеющая определенной верхней границы. В этой области температура вновь увеличивается с высотой.

Практически каждый компонент атмосферы в одинаковых количествах содержатся в тропосфере, стратосфере и мезосфере. Однако чем больше высота, тем меньше атмосферное давление; другими словами, концентрация воздуха становится меньше; 90% массы атмосферы сосредоточено в пределах 16 км над земной поверхностью.

Состав атмосферного воздуха разделяют на три группы: постоянные, переменные и случайные[4]. К первой группе относятся кислород (около 21% по объёму), азот (около 78%) и так называемые инертные газы (около 1%). Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02-0,04%) и водяной пар (до 3%).

Содержание в воздухе случайных составных частей зависит от различных факторов,например: вблизи металлургических заводов в составе воздуха можно обнаружить большое количество сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, аммиака и т.д. Также воздух содержит следы (т.е. ничтожные количества) озона, водорода, метана, аммиака, оксидов азота и угарного газа. По мере совершенствования методов газового анализа число таких практически незаметных составных частей воздуха постепенно возрастает.

Также воздух включает в себя большее или меньшее количество пыли. Атмосферная пыль содержит частицы диаметром от 10^-7 до 10^-2 см (из которых наиболее мелкие не оседают даже в неподвижном воздухе). Помимо пылинок, возникающих на земной поверхности (частиц почвы, дыма, пыльцы растений ит.д.), некоторое значение имеют пылинки вулканического и даже космическогопроисхождения. Подсчитано, что на Земле ежегодно оседает около 5 млн. т космической пыли. Так как поверхность Земли равна 510 млн. км² - это составляет лишь сотую долю грамма на квадратный метр.

Абсолютная запылённость воздуха может быть в отдельных местах очень различной. Его относительная запылённость быстро уменьшается с высотой.Зависимость относительной запылённости от высоты показана в таблице 1.

Таблица 1 - Зависимость относительной запылённости от высоты

Таким образом, можно сделать вывод, что роль атмосферы очень велика в жизни человека, поэтому из этого следует необходимость контроля её состояния, проведения различных мероприятий по её защите от загрязнения вредными веществами.

2 Основные токсиканты

Токсиканты–вещества или соединения, способные оказывать ядовитое действие на живые организмы[5]. В зависимости от характера воздействия и степени проявления токсичности, т. е. способности этих веществ оказывать вредное воздействие на живые организмы, они классифицируются на две большие группы: токсичные и потенциально токсичные.

По химической природе вредные вещества подразделяются на: неорганического (кадмий, ртуть, никель, марганец, селен, хром, мышьяк, свинец и др.) и органического происхождений (нитразосоединения,нефтепродукты, фенолы, амины, поверхностно-активные вещества, пестициды, формальдегид и др.).

Существует классификация опасности различных химических веществ, попадающих в окружающую среду различными способами. В зависимости от степени токсикологического воздействия химические вещества подразделяют на три класса, которые показаны в таблице 2.

Таблица 2 - Классы опасности различных химических веществ

Наиболее приоритетными для химико-токсикологического анализа являются тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий, медь, никель, кобальт, цинк), обладающие высокой токсичностью и миграционной способностью[6].

Поведение данных токсикантов в различных природных средах определяется специфичностью их основных биогеохимических свойств: биохимической активностью, растворимостью, склонностью к гидролизу, минеральной и органической формами распространения,комплексообразующей способностью, эффективностью накопления, подвижностью.

По характеру взаимодействия с различными лигандами тяжелые металлы считаются промежуточными акцепторами между жесткими и мягкими кислотами. В первом случае для тяжелых металлов характерны низкие поляризуемость и электроотрицательность, высокая степень окисления и образование ионных связей, во втором - образование ковалентных связей.

Степень загрязнения окружающей среды токсикантами во многом определяется их механизмом миграции, химически активными миграционными формами.

Миграция токсикантов – перенос и перераспределение химических элементов в земной коре и на поверхности Земли.

Степень сложности биогеохимических процессов, происходящих в атмосферном воздухе, атмосферных осадках, природных водах, донных отложениях, почвах, не позволяет высказать однозначной точки зрения о соединениях тяжелых металлов, определяющих их подвижные формы, и преобладание одной из них в естественных и техногенных процессах.

Анализ фундаментальных работ позволяет сделать следующие выводы: в атмосферных воздухе и осадках тяжелые металлы находятся в газообразной и аэрозольной формах, в виде органических и неорганических комплексных соединений; в водепредставлены в виде свободных ионов и моноядерных гидроксокомплексов, неорганических (сульфатные, хлоридные, карбонатные) и органических соединений, взвешенных в коллоидных формах; в почвах в виде водорастворимых ионообменных и непрочно адсорбированных формах.

3 Влияние экологических факторов на человека

Экологические факторы – это любой элемент среды, оказывающий прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их развития.

На здоровье людей оказывают влияние климатические факторы, химический и биологический состав воздуха.

Экологические факторы могут оказывать на организм человека следующее влияние[7]:

- могут выступать в роли раздражителей, тем самым заставляя нас приспосабливаться к определенным условиям;

- могут благоприятно влиять на организм человека (свежий воздух, умеренное воздействие ультрафиолетовых лучей помогают укрепить наше здоровье);

- могут провоцировать структурные и функциональные изменения в нашем организме (например, темный цвет кожи у коренных жителей регионов с интенсивным солнцем);

- могут полностью исключать наше обитание в определенных условиях (человек не может жить под водой, без доступа кислорода).

Среди экологических факторов, влияющих на организм человека, выделяют факторы неживой природы (абиотические), связанные с действием живых организмов (биотические) и самого человека (антропогенные)[8].

Абиотические факторы – температура и влажность воздуха, магнитные поля, газовый состав воздуха, химический и механический состав почвы, высота над уровнем моря и другие. Биотические факторы – воздействие микроорганизмов, растений и животных. К антропогенным экологическим факторам относятся загрязнение почвы и воздуха отходами промышленности и транспорта, использование атомной энергии, а также все, что связано с жизнью человека в обществе.

Дозированное действие солнца, воздуха и воды положительно оказывает влияние на человека, укрепляет иммунитет, тем самым помогает оставаться нам здоровыми.

Но, к сожалению, экологические факторы могут также наносить вред организму человека. Большинство из них связано с воздействием самого человека – производственные отходы, попадающие в источник воды, почву и воздух, выделение в атмосферу выхлопных газов, не всегда удачные попытки работы человека с атомной энергией (авария на Чернобыльской атомной электростанции).

Также, в настоящее время, людям приходится сталкиваться с постоянным воздействием ионизирующего излучения. Какой эффект будет после воздействия ионизирующего облучения зависит от поглощенной организмом человека дозы излучения, времени облучения, вида облучения. Воздействие ионизирующего облучения может стать причиной развития раковых заболевания, лучевой болезни, лучевого поражения глаз, ожогов и бесплодия. Результатом воздействия ионизирующего излучения на половые клетки могут стать различные врожденные пороки у детей, рожденных даже через десятки лет после воздействия ионизирующего облучения.

4 Биоиндикационные методы

Количество техногенных загрязнителей на сегодняшний день велико и продолжает расти. Для оценки воздействия промышленности и снижения его влияния на природную среду используют методы биоиндикации.

Эти методы основаны на наблюдении за составом, численностью и состоянием видов-индикаторов; подразумевают слежение за природными и антропогенными процессами в биологических средах, включающее всю совокупность взаимодействия живого с агентами внешней среды, в том числе исследованиереакциибиосред на природные и антропогенные воздействия.

Объектами исследования в данном случае выступают биоиндикаторы – организмы, присутствие или интенсивность развития которых служит показателем изменения каких-либо естественных процессов или условий в окружающей среде. Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого (биологические молекулы, клетки, ткани, органы, организмы и популяции).

В работах российских ученых можно найти достаточно большое количество результатов исследований по изучению влияния антропогенных факторов на состояние различных экосистем посредством наблюдения за живыми организмами. Разработаны методики по биоиндикации атмосферного воздуха, преимущественно основанные на наблюдении реакций растений, которые называются дендроиндикацией (или фитоиндикацией), когда в качестве индикаторов используются лишайники (лихенофлоры) и мхи (бриофлоры).

Лишайники могут по-разному реагировать на загрязнение среды: некоторые из них не переносят малейшего загрязнения и гибнут; другие же, живут только в городах и иных населенных пунктах, хорошо приспособившись к соответствующим условиям[9].

Различия между лишайниками в разных местностях были замечены уже лихенологами в прошлом столетии. Не имея точных данных относительно экологических условий (климат, состав воздуха и др.) городов, они считали, что некоторые лишайники чувствительны к каким-то городским условиям. В дальнейшем было выявлено, что разные виды лишайников действительно обладают различной чувствительностью. 

Изучив различные виды лишайников многих городов, были получены закономерности:

• чем больше развит город, чем сильнее загрязнено его воздушное пространство, тем меньше встречается в нем видов лишайников, тем меньшую площадь покрывают они на стволах деревьев и тем ниже их жизнеспособность;

• устойчивыми к загрязнению являются накипные лишайники, среднеустойчивые - листоватые, а слабоустойчивые - кустистые.

Длительное время не было возможности разъяснить, какие именно условия приводят к обеднению и даже гибели флоры лишайников в населенных пунктах. В течение последних десятилетий установили, что лишайники нормально растут и обильны на стволах деревьев при концентрации диоксида серы 0,08—0,10 мг/м³. Летальная доза SO₂ для многих лишайников составляет в среднем 0,5 мг/м³. Следовательно, даже незначительное наличие диоксида серы в воздухе хорошо диагностируется лишайниками. В городах на лишайники пагубное влияние оказывает не только диоксид серы, но и оксиды азота, углерода, соединения фтора и др. Более того, в городах сильно изменены микроклиматические условия — здесь «суше», чем в естественных ландшафтах (примерно на 5 %), теплее (в различных городах на 1—3° С), менее освещено. Лишайники выбирают более сырые местности, и эти условия оказывают на них определенное влияние. 

Помимо лишайников и мхов для оценки уровня загрязнений воздуха и его токсичности для живых организмов используют высшие растения, произрастающие постоянно в естественных условиях или экспонируемые определённый период времени в вегетационных сосудах. Наиболее пригодны для этой цели растения табака (индикатор наО_з), некоторые виды трав. Так кресс-салат и полевица могут быть индикаторами на загрязнение среды тяжелыми металлами.

Для контроля загрязнения среды фтором существует способ использования дернины трав, обладающих устойчивостью к данномутоксиканту, отличающихся такими чертами, как интенсивный рост и высокая газопоглотительная способность. Периодически определяя фтор в листьях травянистых растений, можно установить дальность распространения фторсодержащих выбросов. Индикатором на фтор также является плевел.

Для экологической оценки прогнозирования перспективно использовать древесные формы, т.к. они являются регистрирующими структурами достаточно длительного действия (сосна, липа, берёза).

Биоиндикационный метод в условиях техногенного загрязнения – актуальный и перспективный способ исследования окружающей среды. Биоиндикаторы в полной мере могут отражать степень опасности соответствующего состояния окружающей среды для существующих живых организмов. Подчеркивая важность биоиндикационных методов исследования, нужно отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшего загрязнения окружающей среды по различным функциональным характеристикам экологических объектов. Но, отражая степень негативного воздействия в целом, биоиндикация не объясняет, какими именно факторами оно создано. Поэтому, наиболее эффективная оценка окружающей среды может производиться спомощью физико-химических и биологических методов мониторинга[10].

5 Физико-химические методы

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[11].

 Концентрации токсичных веществ, попадающих из различных источников в атмосферу, 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 влаги, кислорода, фотохимические реакции, изменение метеорологических условий).

Трудности при анализе подобных систем встречаются практически в каждой аналитической операции, начиная от отбора пробы и кончая детектированием примесей.

Для получения информации о качественном и количественном составе анализируемого воздуха, необходимой для прогнозирования степени загрязнения, гигиенических и токсикологических исследований используются современные физико-химические методы анализа.

Физико-химические методы - методы, основанные на зависимости физических свойств вещества от его природы, причем аналитический сигнал представляет собой величину физического свойства, функционально связанную с концентрацией или массой определяемого компонента. Физико-химические методы анализа могут включать химические превращения определяемого соединения, растворение данного образца, концентрирование анализируемого компонента, маскирование мешающих веществ и других. В отличие от «классических» химических методов анализа, где аналитическим сигналом служит масса вещества или его объем, в физико-химические методы анализа в качестве аналитического сигнала используют такие величины: интенсивность излучения, силу тока, электропроводность, разность потенциалов и др.

Общее число физико-химических методов анализа довольно велико – оно составляет несколько десятков[12]. Наибольшее практическое значение имеют методы:

1) спектральные и другие оптические методы;

2) электрохимические методы;

3) хроматографические методы анализа.

Среди указанных трех групп наиболее обширной по числу методов и важной по практическому значению является группа спектральных и других оптических методов анализа. Например, выделяют такие методы как: инфракрасная спектроскопия, спектрофотометрия, люминесценция, атомно- эмиссионная и атомно-абсорбционная спектроскопия и многие другие методы, основанные на измерении различных эффектов, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения.

Атомно-эмиссионная спектроскопия –это методы анализа, основанные на измерении длины волны и интенсивности светового потока, излучаемого возбужденными атомами в газообразном виде; атомно-абсорбционная спектроскопия - метод количественного анализа, основанный на свойствах атомов поглощать свет с определенной длиной волны; метод инфракрасной спектроскопии - метод, основанный на записи ИК-спектров поглощения вещества; метод спектрофотометрии - метод анализа, основанный на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения; люминесцентный метод - метод исследования различных объектов под действием ультрафиолетового облучения, вызывающего люминесценцию этих объектов. 

Группа электрохимических методов анализа, основанная на измерении электрической проводимости, потенциалов и других свойств, включает методы кондуктометрии, потенциометрии, вольтамперометрии и т.д.

Кондуктометрический метод анализа или кондуктометрия – это метод анализа, основанный на измерении удельной электрической проводимости анализируемого раствора.

Потенциометрия - электрохимический метод анализа, основанный на возбуждении исследуемого раствора электрическим полем и измерении равновесного потенциала электрода, являющегося функцией концентрации потенциалопределяющего вещества.

 Электрохимические методы, в последние годы, несколько утратили своё былое значение для определения атмосферных загрязнений. Это обусловлено тем, что получили развитие методы: как газовая хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография и др. Меньшая чувствительность, а иногда и селективность, сложность идентификации определяемых соединений в смесях, влияние примесей ограничивают применение электрохимических методов для изучения загрязнения атмосферного воздуха[13].

В группу хроматографических методов входят методы газовой и газожидкостной хроматографии, тонкослойной, ионообменной, жидкостной распределительной и т.д.

Жидкостная хроматография - метод хроматографического разделения, в котором подвижной фазой является жидкость и разделяемые вещества находятся в постоянном равновесии между подвижной и неподвижной фазой.

Методы газовой хроматографии позволяют изучать летучие термостабильные вещества, имеющие молекулярную массу меньше 400 независимо от их агрегатного состояния; тонкослойная хроматография – хроматографический метод, основанный на использовании тонкого слоя адсорбена в качестве неподвижной фазы; ионная хроматография – это метод разделения смесей, основанный на распределении смесей одного знака заряда между раствором и ионообменником (ионитом).

Таким образом, физико-химические методы являются наиболее точными и результативными методами, с помощью которых можно определять состав воздуха и очищать его от различных токсикантов.

5.1 Снег-индикатор частоты воздуха

Снежный покров обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором атмосферного воздуха, атмосферных осадков и последующего загрязнения почвы[14]. Чем ближе источник загрязнения, тем больше в пробе снега будет содержаться различных тяжелых металлов, пыли и т. д.

Характеристика снежного покрова проводится по геохимическим показателям. На основе указанных геохимических показателей строятся карты распределения отдельных химических элементов или их ассоциаций. По результату можно наглядно увидеть районы интенсивного загрязнения и принять необходимые меры. 

Снежный покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. При образовании снежного покрова из-за процессов сухого и влажного выпадения примесей концентрации загрязняющих веществ в снегу оказывается на 2—3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому измерение их содержания в снегу могут производиться более простыми методами с высокой степенью надежности. Средняя продолжительность снежного покрова в нашей местности составляет 5 месяцев (с ноября по апрель).

В зависимости от источника загрязнения изменяется состав снежного покрова, чем ближе источник загрязнения, тем больше в пробе снега будет содержаться тяжелых металлов, пыли и т. д.

Пробы снежного покрова отбираются на всю мощность из шурфов или снегоотборниками, при этом обязательно фиксируется площадь шурфа и время состава снега. Размеры шурфа замеряются по длине и ширине для расчета площади, на которую проектируется выпадения из атмосферы. При этом вес пробы должен быть не менее 6 кг, чтобы получить массу выпадений, достаточную для проведения анализа на содержание металлов. Дата отбора проб четко фиксируется, что позволяет определить время, за которые накопились в снегу атмосферные выпадения. Оно начинает рассчитываться от даты установления устойчивого слоя снежного покрова (по данным гидрометеослужбы).

Отобранные пробы снега растапливаются и центрифугируются для выделения твердой фракции выпадений. После высушивания, осадок взвешивается. Вес осадка определяет общее количество пыли, выпадающей за единицу площади в единицу времени. Расчет ведется по формуле:

где P´ - вес пыли, осажденной снегом, S - проективная площадь осаждения, T - временной интервал в сутках между моментом опробования и датой установления устойчивого снежного покрова.

Основные требования к химико-аналитическим исследованиям при проведении геохимического картирования снежного покрова связаны с необходимостью экспрессного получения данных по максимальному широкому комплексу химических элементов, формирующих зоны загрязнения. С этой целью используется спектральные методы анализа. При исследовании металлов в снежном покрове обязательно определение свинца, ртути, цинка, меди, хрома, никеля, ванадия, олова. При наличии источников выбросов кадмия, мышьяка, фтора определение этих элементов в природных средах проводят с помощью атомно-абсорбционной спектрофотометрии и ионселективных методов.

Характеристика снежного покрова проводится по геохимическим показателям. Они учитывают распределение как некоторых отдельных металлов, участвующих в загрязнении, так и ассоциации, обусловленные большим количеством элементов, входящих в состав техногенных потоков и формирующих загрязнение. К таким показателям относятся коэффициент концентрации химических элементов K_c и суммарный показатель загрязнения Z_c. Коэффициент концентрации - это показатель кратности повышения содержаний химических элементов в точке опробования над его средним содержанием в аналогичной природной среде на фоновом участке. Фоновые участки выбираются на территориях, не подвергающихся загрязнению или испытывающих его в минимальной степени[15].

Кроме того, интенсивность накопления свинца, меди и ртути в депонирующих средах сравнивается с их расчетными допустимыми уровнями. Данные по загрязнению снежного покрова представляется, кроме уже указанных, следующими показателями:

• показателями концентрации химических элементов в пыли, уловленной снежным покровом (в мг/кг пыли);

•   показателями выпадения общей пыли, измеряемого на единицу площади за единицу времени (г/км² сутки);

•  показателями массы химических элементов с выпадение пыли на снежный покров (мг/км² сутки).

Для этих величин рассчитываются коэффициенты концентрации по сравнению с фоновыми уровнями и суммарный показатель нагрузки, аналогичный суммарному показателю загрязнения.

На основе указанных геохимических показателей строятся карты распределения отдельных химических элементов или их ассоциаций. На моноэлементных картах в виде изолиний абсолютных содержаний или превышений над фоном показывается распределение отдельных металлов. Интервалы градации между изолиниями принимаются в арифметической пропорции[16]. Но при построении карт выделяют четыре уровня загрязнения.

Таким образом, можно наглядно увидеть районы (места) интенсивного загрязнения и принять необходимые меры. 

5.2 Определение запылённости воздуха

Для предупреждения отравлений и заболеваний, связанных с повышений запыленностью воздуха в рабочих помещениях, а также для предотвращения загораний и взрывов пылевоздушных смесей, большое значение имеет систематический контроль уровня запыленности воздуха[17]. Существующие способы определения запыленности воздуха могут быть разделены на две основные группы:

а) с выделением дисперсной фазы из аэрозоля,

б) без выделения дисперсной фазы из аэрозоля.

К первой группе относят весовой (гравиметрический) и счётный (конометрический) методы.

Ко второй группе относят оптические, электрометрические,фотоэлектрические и радиационные методы.

Одним из способов по определению запыленности воздуха помещения является аспирационный весовой (гравиметрическим) методом с помощью электроаспиратора[18].

Рисунок 5.2  – Электроаспиратор

Принцип действия электроаспиратора заключается в протягивании определенного объема воздуха через аспиратор с осаждением пылевых частиц на бумажном фильтре. Метод основан на улавливании пыли из просасываемого через фильтр воздуха при стандартной скорости аспирации 10-20 л/мин. с последующим пересчетом на 1 м³ воздуха (1 м³ = 1000 л).

Анализ воздуха может производиться как в пробах, отобранных однократно (продолжительность отбора проб 15-20 мин.), так и многократно не менее 10 раз в сутки через равные интервалы времени с усреднением полученных данных (кратность отбора проб в течение суток определяет выбор для оценки вида ПДК). Отбор проб воздуха производят в зоне дыхания. Для отбора пробы фильтр укрепляют в аллонже (патроне) электроаспиратора, пропускают через него воздух со скоростью 20 л/мин. (V) в течение 10 мин. (Т). Объем отобранной пробы воздуха рассчитывают по формуле:

υ=Т ● V,

где T – время отбора пробы, мин.,

V – скорость отбора пробы, л/мин.

Негигроскопичный аэрозольной фильтр, представляющий собой ультратонкие волокна полимера, зафиксированный в бумажном кольце, взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,1 мг до (А₁) и после (А₂) отбора пробы воздуха. Содержание пыли Х в 1 м³ воздуха рассчитывают по формуле:

Х = [(А₂ − А₁) ● 1000]/ υ,

где Х – содержание пыли в воздухе, мг /м³;

А₁ и А₂ − вес фильтра до и после отбора пробы, мг;

υ − объем воздуха, л.

Для гигиенической оценки загрязнения воздуха пылью установленное содержание пыли сравнивают с максимальной или среднесуточной ПДК нетоксичной пыли в атмосферном воздухе; характеризуют дисперсный и химический состав, морфологическое строение, электрическое состояние, природу (органическая, неорганическая, смешанная) и механизм образования (аэрозоль дезинтеграции или конденсации).

Гигиенические нормативы пыли для атмосферного воздуха:

·                    максимальная разовая ПДК_мр² = 0,5 мг/м³,

·                    среднесуточнаяПДК_с/с ³= 0,15 мг/м³. 

В помещениях лечебно-профилактических учреждений требования к содержанию пыли в воздухе определяются классификацией помещений по чистоте и ограничиваются размером частиц 0,5 мкм и 5,0 мкм.

В производственных помещениях: ПДК нетоксичной пыли - 10 мг/м³, ПДК пыли, содержащей свободный диоксид кремния - 1-2 мг/м³. 

Счётный метод исследования запыленности воздуха применяют для более полной гигиенической оценки пыли. Сущность его заключается в определении числа и размеров пылевых частиц, содержащихся в единице объёма исследуемого воздуха. Для отбора пылевой пробы применяют специальные счётчики пыли (кониметры), принцип действия которых основан на протягивании определенного объёма воздуха с большой скоростью через узкую щель (10 × 0,1 мм). При этом частицы пыли оседают под покровное стекло, расположенное на пути движения воздуха после щели. Фиксация пылинок на покровном стекле обусловлена конденсацией влаги; иногда на стекло наносится липкое покрытие. При этом на покровном стекле напротив щели образуется пылевая дорожка.

Более простыми счётчиками являются приборы, основанные на естественном осаждении пыли из воздуха (седиментаторы). В этом случае запыленным воздухом заполняют камеру известного объёма, в которой под действием собственного веса пылевые частицы медленно оседают на покровное стекло.

Число пылинок и их размеры подсчитываются под микроскопом. Запыленность воздуха при счётном методе характеризуется числом пылевых частиц на единицу объёма воздуха (обычно на 1 см³).

Для быстрого определения запыленности воздуха на местах замера разработаны новые методы, не требующие выделения дисперсной фазы. На основе данных методов разработаны приборы: поточный ультрамикрофотометр ВДК-4, фотопылемеры (Ф-1, Ф-2, ФЭП-6), электронные кониметры (ЭКТМ, ЭК-4), электронный пылемер ЭПП, электрорадиационный пылемер ПРП-3 и другие.

В поточном ультрамикрофотометре анализируемый воздух проходит через освещенную зону в специальной кювете. При пролетании пылевых частиц через освещенную зону наблюдаются вспышки, которые подсчитывают через специальный микроскоп. Концентрацию пыли определяют делением числа вспышек на объём пропущенного воздуха.

В фотопылемерах луч от источника света проходит через слой анализируемого запыленного воздуха и падает на фотоэлемент, в котором при освещении возникает фототок. Величина фототока зависит от яркости светового луча, которая тем меньше, чем выше запыленность воздуха. Возбуждаемый в фотоэлементе ток измеряют гальванометром, шкала которого проградуирована в граммах пыли на 1 м³ воздуха (г/м³).

Принцип электрического осаждения сводится к тому, что пробу запыленного воздуха пропускают через обернутую заземленной металлической сеткой стеклянную соединительную трубку. В центре трубки находится коронирующий электрод, к которому подведено высокое напряжение (до 10-20 кВ). Пылевые частицы, содержащиеся в протягиваемом воздухе, осаждаются на поверхности стеклянной трубки.

Запыленность воздуха является одной из самых распространенных проблем современности. Почти все производственные процессы связаны с выделением пыли: производство цемента, обработка металла или дерева, подготовка топлива и многое другое. Методы определения запылённости воздуха способствуют уменьшению очистке воздуха.

         5.3 Экспресс-методы определения углекислого газа в воздухе

Интегральным показателем загрязнения воздуха является содержание углекислого газа, так как параллельно с увеличением его содержания наблюдается рост содержания токсичных дурнопахнущих газов, аэрозолей и микроорганизмов, выделяемых людьми и животными, и ухудшение физических свойств воздуха (рост температуры, влажности). В атмосферном воздухе присутствует 0,03% углекислого газа, в выдыхаемом воздухе − 3,7-4,6%. В производственных помещениях промышленных предприятий (в химической и текстильной промышленности, на пивоваренных заводах, в шахтах и забоях, подводных лодках и пр.) концентрация углекислого газа может достигать 4-5% и непосредственно вызывать одышку, сердцебиение, слабость, головную боль, снижение работоспособности.

Методами определения углекислого газа в воздухе являются: объемные методы – содержание СО₂ определяется при помощи газоанализаторов Холдена, Кудрявцева, Калмыкова; титрометрические методы Субботина-Нагорского и Гесса; сравнительный метод Прохорова.

Объемные методы осуществляютсяпри помощи газоанализаторов (Холдена, Кудрявцева, Калмыкова и др.), позволяют по уменьшению объема исследуемой пробы воздуха после поглощения углекислого газа при пропускании через растворы щелочи устанавливают его количество в воздухе.

Экспресс-метод определения концентрации СО₂ в воздухе основан на реакции углекислоты воздуха с содой, растворенной в воде.

В шприц объемом 100 мл набирают 20 мл 0,005% раствора соды с фенолфталеином, имеющего розовую окраску, туда же отбирают 80 мл воздуха и встряхивают 1 мин. Если не произошло обесцвечивания раствора, воздух из шприца выдавливают, оставив в нем раствор соды, и вновь набирают в шприц такой же объем воздуха (80 мл). Если после встряхивания раствор не обесцветился, процедуру повторяют до полного обесцвечивания раствора. Подсчитав общий объем воздуха, использованный для обесцвечивания углекислоты, определяют концентрацию СО₂ в воздухе помещения.

Таблица 5.3 - Зависимость содержания СО₂ в воздухе от объема воздуха, обесцвечивающего 20 мл 0,005% раствора соды

Еще одним методом для определения содержания углекислого газа в воздухе является  титрометрический метод Субботина-Нагорского и Гесса, дающий достаточно точные результаты[19].

Принцип метода заключается в том, что титрованным раствором едкого бария (Ва(ОН)₂) поглощается углекислый газиз определенного объема воздуха. По разности титров раствора бария до и после поглощения углекислого газа определяют его количество во взятом для исследования объеме воздуха.

Метод определения углекислого газа по Д.В. Прохорову основан на сравнительном исследовании изучаемого воздуха помещений и атмосферного воздуха[20]. Сущность метода состоит в нейтрализации нашатырного спирта (NH₄ОН) углекислым газом исследуемого воздуха.

Санитарно-гигиеническую оценку чистоты воздуха помещений дают, сравнивая с предельно допустимой концентрацией ПДК_CO2 = 1⁰/₀₀ (мг/л) = 0,1%. Предельно допустимая концентрация – концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе, не оказывающая в течение всей жизни прямого или косвенного неблагоприятного действия на будущие поколения, не снижающая работоспособности человека, не ухудшающая его самочувствия и санитарно-бытовых условий жизни. 

Для специальных помещений и случаев установлены допустимые значения концентрации углекислого газа в воздухе: для пребывания детей и больных − 0,07%, для периодического пребывания людей в помещении − 0,125% и кратковременного − 0,2%.

5.4 Определение сернистого газа в воздухе лаборатории

Сернистый газ – один из самых вредных и неприятных газов среди загрязнителей воздуха[21]. Хотя концентрация его в среднем в воздухе больших городов не столь велика по сравнению с другими компонентами, но этот оксид считается наиболее опасным для здоровья людей. Под действием диоксида серы происходит резкое раздражение слизистых оболочек, спазм голосовой щели, появляются заболевания органов дыхания, наблюдается общее ослабление организма.

Естественные источники диоксида серы выделяют около половины количества этого вещества из общего потока его в атмосферу. К основным антропогенным источникам сернистого газа относятся процессы: эксплуатация автомобилей, сжигания ископаемого топлива,промышленные производства.

Принцип определения сернистого ангидрида в атмосферном воздухе основан на взаимодействии сернистого ангидрида в кислой среде с фуксинформальдегидным реактивом, в результате появляется фиолетовая окраска, по интенсивности которой колориметрически устанавливается содержание сернистого газа[22].

Пробы воздуха отбираются в специальные воздухозаборные камеры с помощью аспирационного насоса. Особенностью данного отбора проб является обязательное измерение температуры атмосферного воздуха и атмосферного давления с целью приведения объёма исследуемого воздуха к нормальным условиям по следующей формуле:

V_t=(V₀*273*B)/((273+t)*760),

гдеV₀ – объем воздуха в литрах, приведенный к нормальным условиям при 0 °С и давлении 760 мм.рт.ст.;

V_t – объём воздуха в литрах, взятый для анализа при данной температуре t и атмосферном давлении B.

Отобранные пробы воздуха доставляются в лабораторию, где осуществляется протягивание воздуха из камеры через 2 поглотителя Полежаева с помощью электроаспиратора.

Сначала в поглотители Полежаева наливают 2 мл поглотительного раствора (0,01н. NaOH в 5% водном раствор глицерина). Исследуемый воздух из камеры протягивают со скоростью 0,5 л/мин в течение 1 минуты. Таким образом, объём воздуха, взятый для анализа (V_t), равен 0,5 л.

Раствор из каждого поглотителя выливают в колориметрическую пробирку и анализируют отдельно. В пробирку, содержащую пробу, приливают 1 мл фуксинформальдегидного реактива и через 20 минут колориметрируют.

Имитирующую шкалу для определения сернистого ангидрида готовят из метилфиолетового и фуксина на прокипячённой дистиллированной воде.

Концентрацию сернистого ангидрида вычисляют по формуле:

X = (a*b*1000)/c*V₀,

гдеX – концентрация сернистого ангидрида, мг/м³;

a – общее количество исследуемого раствора, мл;

b – количество сернистого ангидрида, обнаруженное в анализируемом объеме, мг;

с – количество исследуемого раствора, взятого для анализа, мл;

V₀ – объем исследуемого воздуха при нормальных условиях,л.

Полученную концентрацию сернистого ангидрида сравнивают с ПДК среднесуточной и максимальной разовой (0,15мг/м³, в смеси с углеводородами - 3 мг/м³).

5.5 Оценка чистоты атмосферного воздуха по величине

автотранспортной нагрузки

Автотранспорт стал основным источником современного загрязнения воздуха. Однако загрязнители, которые действительно вызывают проблемы, сами по себе не выбрасываются автотранспортом. Химические реакции, приводящие к образованию вторичных загрязнителей, протекают наиболее эффективно при солнечном свете, поэтому возникающее загрязнение воздуха называется фотохимическим смогом[23].    

Фотохимический смог - это не единственная проблема, создаваемая автотранспортом. С автомобилями связывают и другие загрязнители, например свинец и бензол. Опасность автомобильных выхлопных газов заключается в том, что в отличие от вредных веществ, выбрасываемых производственными предприятиями, которые концентрируются по ограниченному радиусу в определенной зоне, выхлопные газы автомобилей преследуют человека на всей территории населенного пункта.

Общее количество свинца, поступающего от автомобилей в атмосферу в течение года, составляет 250 тысяч тонн. Крупные частицы оседают на автомагистрали или вблизи от нее, а мелкие разносятся воздушными потоками на большие расстояния.

Концентрация свинцовой пыли в воздухе города определяются интенсивностью движения автомобилей, скоростью и направлением ветра.        

К токсичным соединениям относят следующие компоненты выхлопных газов: оксид углерода, оксид азота, углеводороды. Большую опасность представляют поступающие с отработавшими газами автомобилей такие канцерогенные вещества, как бенз(а)пирен, бензол, формальдегид, сажа, и тяжелые металлы.

Таблица 5.5 -  Влияние выхлопных газов автомобилей на здоровье человеках[24]

Цивилизацию не заставишь отказаться от автомобилей, самолетов и ракет[25].

Поэтому стоит разработать другие методы борьбы с загрязнением атмосферного воздуха автотранспортом, например: использованиегазового топлива, расширение парка и использование муниципального электротранспорта,улучшение качества дорожного покрытия, вывод из центральной части города автобусных маршрутов, ограничение движения легкового транспорта, строительство подземных пешеходных переходов, наблюдение и регулирование токсичности и дымности отработавших газов при выезде автомобилей из автопредприятий, при техническом осмотре, а также на автодорогах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными соединениями, загрязняющими атмосферный воздух, являются: оксид углерода, сернистый газ, окислы азота, углеводороды и взвешенные вещества. Содержание и концентрация этих веществ, входящих в состав выбросов большинства источников загрязнения атмосферного воздуха, являются основными негативными показателями состояния загрязнения атмосферного воздуха.

В настоящий момент происходит постоянное развитие систем контроля загрязнения воздуха путем увеличения числа стационарных станций и применения передвижных постов наблюдений. Дальнейшее совершенствование этой системы становится возможным благодаря пониманию необходимости глобального контроля над состоянием атмосферы путем объединения локальных, региональных и национальных служб наблюдения за атмосферой.

Из всего вышесказанного следует вывод, что существует необходимость  усовершенствования экологического мониторинга атмосферного воздуха, должны применяться методы математического моделирования, оценки загрязнения снежного покрова, биоиндикационные, физико-химические методы и многие другие. Учитывая данные полноценного исследования состояния атмосферного воздуха на различных территориях, должна разрабатываться программа для регулирования и оптимизации системы наблюдений, оценки и прогноза изменений состава воздуха.

Список использованных источников и литературы

1.                 Реймерс, Н.Ф. Природопользование: словарь-справочник. - М.: Мысль, 1990. С. 637.

2.                 Мазулина, О.В. Экологический мониторинг атмосферного воздуха // Инновации в науке. 2012.  № 9. С. 31-36.

3.                 Ревелль, П. Среда нашего обитания: В 4-х книгах. Кн. 2.: Загрязнение воды и воздуха: Пер. с англ. М.: Мир, 1995. С. 193-194.

4.                 http://www.chemstudy.ru/chemistry-33-2.html

5.                 Экология и безопасность жизнедеятельности: учебное пособие для вузов/ Д.А. Кривошеин, Л.А. Муравей, Н.Н. Роева и др.; подред. Л.А. Муравья. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. С. 447.

6.                 Токсикология: учебное пособие / сост. И. Н. Полина; Сыктывкар: Сыктывкарский лесной институт, 2012. С.128.

7.                 Линченко С.Н. Экологическое состояние окружающей природной среды и здоровье человека // Успехи современного естествознания. Краснодар, 2007. С. 64.

8.                 http://my-health.ru/content/162-ekologiya-i-zdorove

9.                 Лыгин С.А., Ваниева А.С. Оценка загрязнения воздуха методом лихеноиндикации // Естественные и математические науки в современном мире.  2014. №18.

10.            Сперанская Е.С. Системный подход при изучении нарушений растительности // Биоиндикация и биомониторинг. М,2005. С.155-160.

11.            Методы анализа загрязнений воздуха /Другов Ю.С., Беликов А.Б., Дьякова Г.А. и др. М.: Химия, 1984. С. 20.

12.            Васильев В.П., Аналитическая химия. В 2 книгах. Кн. 2: Физико-химические методы анализа: учебник для студентов вузов, обучающихся по химико-технол. М.: Дрофа, 2003. С. 384.

13.            Ровинский, Ф.Я. Методы анализа загрязнения окружающей среды: Токсические металлы и радионуклиды. – М.: Атомиздат, 1978. С.264.

14.            Курмазова, Н.А. Снег как индикатор загрязнения атмосферного воздуха // Технические науки – от теории к практике. 2012. №12 г. С. 87-90.

15.            Амбарцумян В.В., Носов В.Б. Экологическая безопасность автомобильного транспорта. М.: ООО Изд-во «Научтехлитиздат», 1999. 208 с.

16.            Белецкий, Г.Г. Федеральный Закон Российской Федерации «Об охране окружающей среды». Чита, 2002. С.64.

17.            Говоров, В. Г. Организация газоспасательной службы на химических предприятиях. М.: Химия, 1977. С. 184.

18.            Практикум по общей гигиене, санологии и экологии: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений медицинского профиля, обучающихся по специальности «Сестринское дело» (заочное отделение)/ Максименко Л.В.; подред. проф. Д.И.Кича. М.: Издательство РУДН, 2009. С. 160.

19.            Крикливый, А.А. Способы определения углекислоты в воздухе Нагорского-Субботина и упрощенный Биттера: дис. на степ. д-ра медицины. – Санкт-Петербург: Типография П.П. Сойкина, 1898. С. 112.

20.            http://studopedia.ru/11_111977_metodi-otbora-prob-vozduha.html

21.            http://www.studmed.ru/view/lekcii-ekologiya_b85c352111d.html

22.            Практикум по экологии / Соколова Г.Г., Шарлаева Е.А., Беккер В.Н. - Барнаул: Издательство Алтайского госуниверситета, 2005. С. 80.

23.            Андруз Дж., П. Бримблекумб, Т. Джикелз Введение в химию окружающей среды. М.: Мир, 1999. С. 271.

24.            Селиванов, С.Е., Бажинов А.В.  Экологические проблемы Харькова, транспортный аспект // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета выпуск. 2010. №49. 12 с.

25.            Давлетова Н.Х. Автотранспорт как глобальный источник загрязнения атмосферного воздуха // Современные наукоёмкие технологии выпуск. 2005. №4.

Скачано с www.znanio.ru