Тема лекции № 1. Введение. Цель, задачи и научно-методические основы курса. Объекты химического анализа

План лекции: 1. Введение к курсу

2. Цель и задачи курса «Методы анализа объектов окружающей среды»

3. Обьекты химического анализа

Цель лекции: Обобщение первичной информации о содержании вредных веществ в окружающей среде и пути оптимальных решений для каждой аналитической задачи, взятой в отдельности.

Конспект лекции:

 

Глобальное загрязнение окружающей среды и неблагополучная экологическая ситуация в промышленных регионах обусловливают необходимость постоянного аналитического контроля (мониторинга) за загрязнением воздуха, качнством питьевой воды и накоплением токсичных химических веществ в почве и растительности.

Острые проблемы экологического характера вызвали к жизни мощные общественные движения («Green Peace» и другие «зеленые» организации), подтолкнули правительства к заключению важных международных соглашений (Монреальский и Киотский протоколы). Произошли определенные изменения в массовом сознании. Приняты соответствующие изменения в законодательстве, открыты экологические специальности в высших учебных заведениях, появилось множество «экологических» книг и фильмов (иногда наивных и нелепых, иногда спекулятивных). Для объективного рассмотрения всех опасностей нужны и исключительно важны результаты химического анализа. Частыми и многочисленными стали конференции по методам и результатам анализа экологических объектов, например регулярный международный симпозиум по аналитической химии окружающей среды International Symposium on Environmental Analytical Chemistry. Нужны данные по содержанию углекислого газа, озона, канцерогенных органических соединений, оксидов серы и азота, радиоактивных изотопов и множества других микропримесей. Определять эти вещества нужно в широком концентрационном диапазоне. Из арсенала аналитической химии, насчитывающего более 150 методов, экологическая аналитическая химия использует наиболее эффективные и надежные методики, которые охватывают весь спектр загрязнений воздуха, воды, почвы, донных отложений и растительности – от газов и паров до твердых частиц и аэрозолей.

Поэтому во многих ведущих ВУЗах в Казахстане, России и за рубежом появились экологические специальности и специализации, стали готовить не только специалистов экологов-технологов, но и специалистов экологов-аналитиков. Кроме того, выпускники факультета естествознания получающих квалификацию «эколог», должны иметь представление о принципах и методологии экологического контроля.

С учетом этого на факультете естествознание Междунаоодного казахско-турецкого университета имени Х.А.Яссави был введен общий курс для бакалавров «Методы анализа объектов окружающей среды».

Задачи дисциплины «Методы анализа объектов окружающей среды»:

1. Получение первичной информации о содержании вредных веществ в окружающей среде.

2. Принятие решений по предотвращению дальнейшего поступления этого вещества в воду, почву, донные отложения и т.д. и о необходимости очистки объектов от уже накопленных загрязнителей.

Почему вычленилась отдельная область аналитической химии – химия окружающей и природной среды? Можно назвать несколько причин оформления отдельного раздела аналитической химии:

1. Задача аналитической химии – поиск оптимальных решений для каждой аналитической задачи, взятой в отдельности. Например, определение содержания кадмия, свинца, цинка, хрома в сточной воде, бензпирена в присутствии ароматических и полиароматических углеводородов в воздухе. Реально лаборатория экоаналитического контроля должна контролировать одновременно десятки и сотни загрязнителей в разнородных объектах. Это требует от аналитика совершенно другого системного подхода к выбору конфигурации аналитической техники. Должна быть реализована методология получения

массивов данных результатов химического анализа. В отсутствии такой методологии бессистемно приобретаются приборы для таких лабораторий с крупными стартовыми затратами. Неоправданно увеличивается персонал лаборатории, следовательно, увеличивается себестоимость элемент-определения.

2. Вся законодательная база в области аналитического контроля требует централизации контроля, а не децентрализации его по отдельным объектам анализа (водная, почвенная лаборатории и т.д.). Требуется концентрация аналитического контроля в госконтрольных органах и на крупных предприятиях-природопользователях. Отсюда следует задача создания аналитических комплексов. Можно сформулировать требования к аналитическим комплексам:

а) Многофункциональность. Например, для определения анионов в растворах широко используется метод ионной хроматографии. Но если добавить к хроматографу специальное пробопреобразовательное устройство, которое количественно поглощает определяемые вещества из газовой фазы, то хроматографический метод можно успешно использовать для определения кислых и основных газов в атмосфере. Например:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО₃^-

ионы

Спектрофотометр или спектрофлуориметр не позволяет анализировать газообразные среду. Но если в комплект к нему ввести твердотельные газочувствительные сенсоры, то можно анализировать органические и неорганические загрязнители в газовых средах.

б) Системная совместимость. Чтобы совмещать отдельные методы, необходимо стандартное программное обеспечение, совместимость электрических параметров, унифицированные интерфейсы и т.д.

в) Аналитические возможности комплексов должны взаимно перекрываться для охвата большего количества задач. Т.е. анализ одного образца должен проводиться, как минимум, двумя независимыми методами. Причем один из них по уровню метрологического обеспечения должен быть прецизионным.

3. Увеличение объема аналитических работ. Оно связано с объективной химизацией среды обитания. В случае экологических объектов требуется анализировать громадное число проб (из разных точек), обеспечивая представительность данных по каждому из множества показателей. Чтобы данные по разным точкам можно было сопоставлять, нужно получить их по надежным и однотипным (или даже унифицированным) методикам. Причем в каждой точке нужно отбирать все новые и новые пробы – ведь состав объекта (например, атмосферного воздуха) непрерывно меняется. Поэтому потребовались автоматизированные аналитические системы, оценивающие загрязнение

водной или воздушной среды по данным множества станций и постов, где стоят автоматизированные анализаторы. Отсюда следует еще одна новая задача – существенное снижение трудозатрат на получение единичного результата. Эту задачу можно решить при использовании компьютеризированной аналитической техники, автоматов пробоподачи, эскалаторов подачи проб и других машиноуправляемых роботизированных

устройств. Это позволяет одному оператору обслуживать до пяти разнотипных приборных комплексов.

4. Расширение номенклатуры объектов анализа и круга определяемых компонентов. К тому же резко увеличилось количество микро- и макрокомпонентов, присутствующих в пробах. Особую проблему составляет анализ свалок и отходов, нового объекта для аналитической химии. Экологический анализ всего того, что вытекает, испаряется из полигонов твердых бытовых отходов – это совершенно новая задача. Кроме того, начинается утилизация т разработка твердых отходов, которые раньше не использовались в связи с их неперспективностью («бедные отходы»).

В настоящее время по данным ВОЗ в промышленности используется 500 тыс. соединений (в основном органических), из которых более 40 тысяч является вредными для здоровья человека и около 12 тысяч токсичными. В Казахстане в почву вносят около 200 видов различных пестицидов, для 70% которых ПДК не определены. Из них только 10% являются нетоксичными. Многие соединения в результате взаимодействия с биотой превращаются в более токсичные.

5. Должна присутствовать определенная система наблюдений и выявления тенденций, на которую должны опираться диагноз и лечение болезни любого живого организма. Состояние окружающей среды также должно характеризоваться определенным набором параметров. Недостаточно просто установить превышение содержания ртути в воде, необходимо проследить тенденции его изменения в разный сезоны, при различных температурах и т.д.

6. Необходимость создания сети наблюдения за состоянием окружающей среды. В США наблюдение только за состоянием водных объектов ведется на 10000 станций.

К объектам экоаналитического контроля относятся:

1. Воды – пресные, поверхностные, морские, подземные, атмосферные осадки, талые, сточные.

2. Воздух – атмосферный, природных заповедников (фон), городов и промышленных зон, рабочей зоны.

3. Почвы (в аспекте загрязнения).

4. Растения, пища и корма, животные ткани (в том же аспекте).

5. Отходы.

В сферу эколого-аналитической химии могут быть включены и другие объекты, представляющие опасность для окружающей среды. Это – полупродукты и готовая продукция нефтехимической, химической, фармацевтической и микробиологической промышленности.

Контролируемые компоненты экологической аналитической химии можно разделить на три достаточно неравные группы.

I группа. Компоненты этой группы широко распространены и необходимые пределы обнаружения аналитических методов, используемых для их обнаружения, легко достигаются:

– O₃, O₂, CO, CO₂, N_xO_y, S_xO_y, NH₃, Hal₂ и соответствующие им кислоты (ионы);

– природные фульво- и гуминовые кислоты;

– низкомолекулярные углеводороды (компоненты природных газов и топлив);

– металлы гальванических производств (например, Cr, Ni, Zn, Cu) и их водонерастворимые соединения.

II группа: – огромное количество органических загрязнителей I и II классов опасности;

– тяжелые металлы и их водорастворимые соединения;

– цианиды, PH₃, AsH₃, SiH₄ и их производные;

Это самая большая группа веществ-загрязнителей, 60-80% всех контролируемых примесей относят к этой группе. Диапазон нормируемых содержаний веществ данной группы составляет 10–4-10–7 мг/л. В отличии от I группы к методам экоконтроля веществ этой группы предъявляют два основных требования – селективность (определяемые компоненты необходимо определять в сложных многокомпонентных смесях) и низкие пределы обнаружения.

III группа: суперэкотоксиканты и ксенобиотики.

Необходимые пределы обнаружения 10–7-10–10 мг/л. Как правило, аналитические задачи экоконтроля веществ данной группы решаются только на основе сочетания методов концентрирования с высокоинформативными аналитическими методами, например хромато-масс- и хромато-ИК-Фурье-спектрометрии. Несмотря на крайне низкие

содержания веществ этой группы в окружающей среде, их антропогенные выбросы достигли величин, соизмеримых с природными потоками.

Ежегодно в атмосферу выбрасывается 5 тыс. тонн бенз(а)пирена; антропогенный поток свинца в 10 раз превышает его природное поступление; в почве рассеяно от 1 до 3 млн. тонн ДДТ.

Контрольные вопросы:

1. Какие вещества относятся к суперэкотоксикантам?

2. Перечичлите виды супертоксикантов.

3. Опишите методологию экоаналитического контроля.

Тема самостоятельной работы студентов (СРС):

1. Превращение плохорастворимого вещества в другое соединение.

2. Закон действующих масс. Константа равновесия химической реакция

Литература:

1. Другов Ю.С., Родин А.А. Анализ загрязненной почвы и опасных отходов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 424 с.

2. Другов Ю.С., Родин А.А. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 272 с.

3. Другов Ю.С., Родин А.А. Анализ загрязненных биосред и пищевых продуктов. Практическое руководство. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 296 с.

4. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию. – М.: Мир, 1997. – 232 с.

5. Фомин Г.С., Фомин А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам: Справочник. – М.: Протектор, 2001. – 304 с.