Вещества, изменяющие природный состав атмосферы, называют загрязняющими веществами.

ВОЗДУХ КАК ОБЪЕКТ АНАЛИЗА

 

Состав атмосферного воздуха. Источники загрязнения воздуха. Основные загрязнители. Стандарты качества воздуха. Особенности воздуха как объекта анализа. Методы контроля воздуха

 

Одним из важнейших объектов окружающей среды является атмосферный воздух. Устойчивость биосферы зависит от его чистоты.

Состав чистого воздуха

Компонент	N2	O2	Ar	CO2	Kr	Ne	He	Xe
Содержание, %об.	78,1	20,93	0,93	0,02-0,04	1*10^-4	1,8*10^-3	5*10^-4	1*10^-5

Под понятием "чистый воздух" имеют в виду воздух в местах, достаточно отдаленных от районов жизнедеятельности людей и от мест с аномальными явлениями. Однако даже чистый воздух содержит следы следующих веществ

Компонент	CO	O3	H2	CH4	N2O	NO+NO2	NH3
Содерж. %об.*10^-6	0,01-0,2	0-0,05	0,4-1	1,2-1,5	0,25	0-0,03	0-0,02

 

Требования к методам контроля загрязняющих веществ в воздухе

Метод измерения концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны должен обеспечивать определение веществ на уровне 0,5 ПДК_М.Р. с погрешностью ±25 %; длительность отбора пробы не более 15 минут при определении ПДК_м.р., 8 часов или 75% рабочего времени при определении средне-сменных ПДК.

 

В атмосферном воздухе метод измерения концентраций вредных веществ должен обеспечивать определение на уровне 0,8 ПДК_М.Р. с погрешностью ±25 % и отбором проб длительностью:

- 20-30 минут при определении максимально разовой концентрации;

- 24 часа при определении средне-суточной концентрации.

Методы определения вредных веществ в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе утверждаются Министерством здравоохранения.

 

Газовый анализ

Анализ смесей газов с целью установления их качественного и количественного состава называют газовым анализом. Все приборы газового анализа можно классифицировать:

- по функциональным возможностям: индикаторы, течеискатели, сигнализаторы, газоанализаторы;

- по конструктивному исполнению: стационарные, переносимые, портативные;

- по количеству измеряемых компонентов: однокомпонентные и многокомпонентные;

- по количеству каналов измерения: одноканальные и многоканальные;

- по режиму работы: непрерывного и циклического действия;

- по назначению: контроль атмосферного воздуха, контроль воздуха рабочей зоны (безопасность), контроль промышленных выбросов (экология), контроль технологических процессов (технология), контроль газов в воде и др. жидкостях, контроль рудничной атмосферы, контроль выхлопных газов автомобилей (экология и технология).

Индикаторы, течеискатели, сигнализаторы — это приборы, осуществляющие сигнализацию о наличии искомого компонента или о достижении заранее установленного значения концентрации анализируемого компонента (или их суммы) и не предназначенные для количественной оценки фактической концентрации.

В условиях современных промышленных предприятий опасные концентра­ции газов и паров в воздухе рабочей зоны могут создаваться за короткие сроки и процесс возникновения опасной ситуации носит случайный характер. Поэтому автоматический контроль загазованности воздуха рабочей зоны становится необходимым элементом контроля и управления технологическими про­цессами. Для этой цели предназначены автоматические газоанализаторы контроля концентраций вредных веществ в воздухе и сигнализаторы довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров.

Сигнализатор - прибор, осуществляющий только сигнализацию о достижении заранее установленного значения концентрации заданного компонента (или их суммы) и не предназначенный для количественной оценки фактической концентрации. Для обеспечения взрывобезопасности технологических процессов используют автоматические сигнализаторы довзрывоопасных концентраций

Газоанализатор — средство измерения содержания одногоилинескольких компонентов в газовой смеси.

Автоматический газоанализатор представляет собой прибор, в котором отбор проб воздуха, измерение концентрации контролируемого компонента, выдача и запись результатов анализа, а затем и удаление пробы осуществляются автоматически по заданной программе без участия обслуживающего персонала.

Для контроля воздушной среды используют газоанализаторы, работа которых основана на различных принципах.

Флуоресцентные

Принцип работы основан на измерении интенсивности флуоресценции определяемого компонента под действием УФ - излучения.

Определяемые вещества – SO₂, СО₂, СО.

Г-р серии 667ФФ-01. SO2 в атмосферном воздухе. Входит в состав автоматической станции контроля загрязнения атмосферы и используется автономно.

Лазерные

Принцип работы основан на измерении поглощения веществом лазерного излучения определенной длины волны.

Определяемые вещества Метан, пыль.

Лазерный газоанализатор типа ЛГА предназначен для измерения концентрации метана в атмосферном воздухе.Входит в состав передвижных лабораторий для оперативного обследования трасс магистральных и городских газопроводов с целью обнаружения утечки газа.

Интерференционные

Основан на зависимости изменения оптических свойств анализируемой смеси от концентрации определяемого компонента. (СО₂, метан, водород).

ВОЗДУХ КАК ОБЪЕКТ АНАЛИЗА

 

Состав атмосферного воздуха. Источники загрязнения воздуха. Основные загрязнители. Стандарты качества воздуха. Особенности воздуха как объекта анализа. Методы контроля воздуха

 

Одним из важнейших объектов окружающей среды является атмосферный воздух. Устойчивость биосферы зависит от его чистоты.

Состав чистого воздуха

Компонент	N2	O2	Ar	CO2	Kr	Ne	He	Xe
Содержание, %об.	78,1	20,93	0,93	0,02-0,04	1*10^-4	1,8*10^-3	5*10^-4	1*10^-5

Под понятием "чистый воздух" имеют в виду воздух в местах, достаточно отдаленных от районов жизнедеятельности людей и от мест с аномальными явлениями. Однако даже чистый воздух содержит следы следующих веществ

Компонент	CO	O3	H2	CH4	N2O	NO+NO2	NH3
Содерж. %об.*10^-6	0,01-0,2	0-0,05	0,4-1	1,2-1,5	0,25	0-0,03	0-0,02

 

Вещества, изменяющие природный состав атмосферы, называют загрязняющими веществами.

Источники загрязнения атмосферы можно подразделить на антропогенные (промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, бытовые) и естественные.

Загрязнители естественного происхождения атмосферы - пыль растительного, вулканического и космического происхождения, пыль, возникающая при эрозии почвы, частицы морской соли, туман, дымы и газы от лесных и степных пожаров, газы вулканического происхождения, различные газообразные продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Содержание их мало изменяются с течением времени. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым.

Основная причина антропогенного загрязнения воздуха – использование ископаемого топлива как источника энергии. Больше всего в атмосферу выбрасывается оксидов углерода, соединений серы и азота, углеводородной и промышленной пыли.

Источниками являются:

• выбросы промышленные, с/х и бытовые,
• свалки промышленных и бытовых отходов,
• транспорт (авиа, авто и ж/д).

За год в атмосферу Земли выбрасывается около 200 млн. т. монооксида углерода, 20 млрд. т. диоксида углерода, 150 млн. т. диоксида серы, 50 млн. т. оксидов азота, 250 млн. т. пыли, 50 млн. т. различных углеводородов.

Кроме того, при сжигании угля с золой и отходящими газами в окружающую среду поступают тяжелые металлы в больших количествах, чем добывается из недр: Mg в 1,5 раза, Mo в 3 раза, As в 7 раз, U, Ti в 10 раз, Al, I, Cо – в 15 раз, Hg в 50 раз, V, Sr, Be, Zr – в сотни раз, Ga и Ge – в 1000 раз.

С учетом токсичности и потенциальной опасности загрязнителей, их распространенности и источников эмиссии загрязнители условно делят на несколько групп:

1) основные (критериальные) загрязнители атмосферы - оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды, твердые частицы и фотохимические оксиданты; 2) полициклические ароматические углеводороды (ПАУ); 3) следы элементов (в основном металл ы); 4) постоянные газы (диоксид углерода, фторхлорметаны и др.); 5) пестициды; 6) абразивные твердые частицы (кварц, асбест и др.); 7) разнообразные загрязнители, оказывающие многостороннее действие на организм, (нитрозоамины, озон, полихлорированные бифенилы (ПХБ), сульфаты, нитраты, альдегиды, кетоны и др.).

 

Стандарты качества воздуха

 

Стандартами качества воздуха являются ПДК.

ПДК в атмосферном воздухе - это такая концентрация, которая при действии на организм человека в течение заданного промежутка времени не вызывает необратимых (патологических) изменений в нем. Различают нормативы ПДК для атмосферного воздуха и для рабочей зоны.

ПДК максимально разовая населенных мест (ПДК_М.Р.) – это концентрация химического вещества в воздухе насел мест, которая в течении 30 минут при вдыхании воздуха не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

ПДК среднесуточная населенных мест (ПДК_С.С.) - это концентрация химического вещества в воздухе насел мест, которая не должна оказывать на человека прямо или косвенно вредное воздействие в течение неограниченно долгого времени.

ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДК_Р.З.) - это концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны, которая при ежедневной работе (кроме выходных) в теч 8 час. или другой продолжительности, но не больше 41 часа в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболевания или нарушения состояния здоровья, которые можно выявить современными методами обследования в процессе работы или в будущем в жизни теперешнего и будущих поколений. ПДК устанавливаются для среднестатистического человека с некоторым запасом.

Для веществ, которые не имеют определенного экспериментально ПДК, устанавливаются и используются показатель ОБУВ – ориентировочный безопасный уровень воздействия.

Для стационарных и передвижных источников выбросов в атмосферу устанавливаются нормативы предельно допустимых выбросов – ПДВ. ПДВ – это максимальные выбросы в единицу времени для данного природопользователя по данному компоненту, которые создают в приземном слое атмосферы концентрацию этого вещества с_i, не превышающую ПДК, с учетом фонового загрязнения c_фi и эффекта суммации веществ однонаправленного действия

 

ПДВi ®

Особенности анализа воздуха:

В воздухе загрязняющие компоненты могут находиться в виде газов, паров и аэрозолей, при этом:

1) одно и тоже вещество может находиться в воздухе в разных формах;

2) в одной пробе одновременно могут находиться сотни органических и неорганических соединений различных классов, причем их концентрации (мг/м³) могут различаться на несколько порядков;

3) воздух представляет собой неустойчивую систему с постоянно изменяющимся составом (наличие влаги, кислорода, фотохимические реакции, изменение метеорологических условий).

Эти особенности воздуха как объекта анализа обуславливают определенные требования к каждой стадии аналитического контроля воздуха:

1) должен быть обеспечен отбор представительной пробы (если доля определяемого компонента в воздухе составляет а %, то доля этого компонента в пробе должна быть не менее 0,75 а);

2) должна быть обеспечена неизменность состава пробы при транспортировании в лабораторию;

3) должно быть обеспечено практически полное извлечение загрязнителей из концентрационных ловушек (степень извлечения 99,9%);

4) должно быть проведено селективное и достоверное определение загрязнителей в присутствии значительного количества примесей.

 

Универсального способа пробоотбора, позволяющего одновременно улавливать из воздуха все загрязняющие вещества, не существует. Выбор адекватного способа отбора определяется, прежде всего, агрегатным состоянием веществ, а также их физико-химическими свойствами. В воздухе загрязняющие вещества могут находиться в виде газов (NO, NO₂, CO,SO₂), паров (преимущественно органических веществ с температурой кипения до 230-250^о С) и аэрозолей (туман, дым, пыль).

 

Выбор способа отбора определяется, прежде всего, агрегатным состоянием веществ, а также их физико-химическими свойствами, наличием сопутствующих примесей и другими факторами. Для обоснованного способа отбора проб необходимо иметь четкое представление о возможных формах нахождения токсических примесей в воздухе:

Воздух	Отбор проб	Методы анализа
Газы (NH3, CO, CH4, O3, дивинил и др.)	_	Газоанализаторы, индикаторные трубки
Газы и пары (жидкости с t КИП до 230-250^оС) –в виде паров: ароматические хлорированные и алифатические углеводороды, низшие ациклические спирты, кислоты и др.), а также твердые вещества, обладающие высокой летучестью (иод, нафталин, фенол)	Контейнеры(макрокомпоненты):шприцы, газовые пипетки, бутыли. Трубки-ловушки, сорбенты: активный уголь, силикагели, молекулярные сита, порапаки, хромосорбы, полисорбы, тенакс, пленочные сорбенты и др. Сосуды Зайцева, Рихтера, поглотительные растворы: дистиллированная вода, кислоты, органические растворители, спирты, смешанные растворы	Хроматографические (все виды), хромато-масс-спектрометрия, фотометрические,электрохимические
Аэрозоли (соединения металлов, орг.в-в. и вода, сорбированные на частицах пыли); три класса: мелкие- радиус≤0,1мкм, ср.-0.1-1.0 мкм, крупные≥1 мкм Пары и аэрозоли: жидкости с высокой температурой кипения (дибутилфталат, диметилтерефталат, капролактам и др.), пульверизационная окраска; Аэрозоли конденсации: серный ангидрид с влагой образуют туман серной кислоты, аммиак и хлороводород – дым хлорида аммония, аэрозоль сварки (расплавление и испарениеМе): свинец и его сплавы ≥ 400^0	Фильтры: бумажные, мембранные и стеклянные (АФА, АХА, тканевые ФПП), фильтрующие волокнистые материалы: ацетилцеллюлоза, полистирол, перхлорвиниловая ткань, стекловолокно   Различают дисперсионные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные аэрозоли образуются при измельчении (диспергировании) твердых и жидких веществ. Конденсационные аэрозоли образуются при конденсации насыщенных паров, а также в результате реакций с кислородом, водяным паром, между собой, под воз действием солнечных лучей. Дисперсионные частицы: пыли(5-50мкм), совокупность осевших частиц (гель или аэрогель) неправильной формы. Конденсационные аэрозоли имеют правильную шарообразн. или кристалл. форму: дымы (0.1-5мкм), туманы(капельки жидкости в рез-те конденсации паров или при распылении жидкости в газе). На практике чаще аэрозоли как дисперс. так и конденс. происхождения; аэрозольная система постоянно меняется. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы.	Спектрометрические, хроматографические, электрохимические, гравиметрический

 

Правильное установление агрегатного состояния вредного вещества в воздухе способствует правильному выбору фильтров и сорбентов и уменьшению погрешности определения, связанному с пробоотбором. Для предварительной оценки агрегатного состояния примесей в воздухе необходимо располагать сведениями об их летучести - максимальной концентрации паров, выраженной в единицах массы на объем воздуха при данной температуре: L= 16 РМ/ (273+t), Р- давление насыщенного пара при заданной температуре, М- молекулярная масса вещества. Формула выражает корреляционную связь между температурой кипения вещества, давлением насыщенного пара и температурой внешней среды;

учитывать помимо летучести их санитарные нормы ПДК, например, ртуть (t_кип 357⁰ С) по сравнению с бутилацетатом (t _кип 126^о С) можно считать малолетучей жидкостью; летучести этих веществ при 20⁰ С соответственно равны 15 и 20000 мг/м³ . Однако с большой разницей в ПДК (0.01 и 200 мг/м³ ) максимальное содержание в воздухе малолетучей ртути при 20^о С может превышать санитарную норму в 1500 раз, а содержание паров бутилового спирта в 250 раз.

Поэтому агрегатное состояние рекомендуется оценивать по отношению летучести вещества при 20⁰ (мг/м³ ) к его ПДК – L₂₀ /ПДК.

Если относительная летучесть вещества (например, серной кислоты, дивинилфталата) при 20⁰ С ниже ПДК (в 10 и более раз), то наличием паров можно пренебречь. В этом случае определяют лишь содержание в воздухе аэрозоля. При значительном превышении ПДК (в 50 и более раз) определяют только пары (например, нафталин и др.).

К парам и аэрозолям следует относить вещества, летучесть которых при 20^о С составляет от 10 до 50 ПДК.

При отборе проб воздуха для анализа различают различные объекты: 1)атмосферный воздух, 2) воздух рабочей зоны, 3) промышленные выбросы

 

Требования к методам контроля загрязняющих веществ в воздухе

Метод измерения концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны должен обеспечивать определение веществ на уровне 0,5 ПДК_М.Р. с погрешностью ±25 %; длительность отбора пробы не более 15 минут при определении ПДК_м.р., 8 часов или 75% рабочего времени при определении средне-сменных ПДК.

 

В атмосферном воздухе метод измерения концентраций вредных веществ должен обеспечивать определение на уровне 0,8 ПДК_М.Р. с погрешностью ±25 % и отбором проб длительностью:

- 20-30 минут при определении максимально разовой концентрации;

- 24 часа при определении средне-суточной концентрации.

Методы определения вредных веществ в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе утверждаются Министерством здравоохранения.