Ekologichesky_monitoring / Мониторинг_пособие

111

тия малых образцов воздуха (200 мл) и сбора 1-2 мкг пробы. В качестве примера можно привести прямое определение макрочастиц свинца в воздухе методом беспламенной атомноабсорбционной спектроскопии. Диаметр дисковых фильтров был менее 3 мм, а время на отбор проб и химический анализ было затрачено менее 5 мин на одно определение. Для исследования осадка на фильтре, быстрого сбора проб промышленность выпускает разнообразную аппаратуру и фильтры. Для любого случая можно подобрать фильтр с точно определенной структурой пор. Для изучения собранного материала применяются следующие методы: микроскопическая идентификация (использование видимого света); микроскопия в падающем под углом свете, в проходящем свете; электронная микроскопия и электронная микрозондовая спектроскопия; химический капельный анализ; инфракрасная спектроскопия; УФ-видимая спектрофотометрия; пламенная и эмиссионная спектроскопия; рентгенофлуоресцентная спектроскопия; рентгеноструктурный анализ и радиохимия.

Большинство методов анализа атмосферных загрязнений основано на использовании газовой хроматографии, атомной абсорбции, полярографии. Концентрацию исследуемых веществ

ввоздухе (в мкг/л или мг/л) вычисляют по формуле

С= a/V,

где а — масса вещества, найденная в пробе, мкг; V - объем исследуемой пробы воздуха, приведенный к нормальным условиям, л (0°С, 101080 Па) и равный

V = 273·P·Vt /(273 + t)·101080,

где Р - атмосферное давление при отборе пробы, Па; t - температура воздуха в месте отбора пробы, °С; Vt, -объем воздуха, отобранного на анализ при температуре t, л.

При концентрировании анализируемых веществ из воздуха в жидкие поглотительные среды или на твердые сорбенты в анализе могут использоваться части объема растворов проб. В этом случае концентрации веществ в воздухе вычисляют по формуле

112

С = a·V1/V2·V,

где V1 - обший объем раствора пробы, мл; V2 - объем раствора пробы, используемый для анализа, мл, или по формуле

С = в V1/V,

где в - концентрация анализируемого вещества в растворе пробы, мкг/мл.

11.1. Определение неорганических соединений

Неорганическая часть воздуха включает газы, металлы и их соединения. Многие стандарты ограничиваются общим содержанием металла, и только в последние годы стало уделяться внимание химической природе соединений. Это обусловлено тем, что химическая природа вещества важна при анализе компонента и определений предельной токсичности. Присутствие озона и влаги в воздухе, содержащем оксиды азота и соединения серы, способствует образованию комплекса и неустойчивой смеси. Опасность при вдыхании воздуха, содержащего соединения ртути и свинца, обусловлена формой состояния этих элементов в воздухе.

Одним из старых и простых способов определения макроколичеств газов в воздухе является метод Орса, применяемый для выявления одного или двух компонентов в газовой смеси известного состава. Анализируемый объем газа пропускают через несколько реагентов, измеряя уменьшение объема, вызванное поглощением компонента. Для переноса газа из одной пипетки в другую в аппарате Орса используют жидкостные затворы, например ртуть, покрытую пленкой воды для поддержания постоянной влажности газа. Таким образом анализируют СО2, SO2, H2S, НCl, О2, СО, Н2. Однако этот метод нельзя применять при определении следовых количеств газа.

Чаще газообразные загрязняющиеся вещества в воздухе выявляются методами спектрофотометрии, позволяющими оп-

ределять NH3, СО2, CS2, СО, С12, Вг2, SO2, SO2C12, S2CI2, NO2, HC1, (CN)2, HCN, HF и др. Для этого химически активный газ

предварительно поглощают соответствующим реагентом. Затем замеряют объем оставшегося газа методом вытеснения с помо-

113

щью газометра или расходомера. Анализируемый образец обычно пропускают через фильтр с порами определенного размера. Полученный на фильтре осадок растворяют и анализируют любым подходящим методом. Методы просты, не требуют дорогостоящего оборудования, вместе с тем продолжительны во времени и не дают достаточно точных и воспроизводимых результатов.

11.2. Определение органических веществ

При сжигании топлива (автомобили, самолеты, технологические процессы) образуется органический по составу дым, содержащий метан, гексан, гептан, пентан, октан и ацетилен. При этом наряду с алифатическими соединениями образуются и ароматические: бензол, ксилол, хлорбензол и циклогексан. В результате человеческой деятельности в воздухе появляется значительное количество органических веществ: стимуляторы аэрозольные, пестициды, гербициды, фунгициды и консервирующие средства. Химические методы анализа органических веществ зависят от типа органического соединения, его концентрации, основы.

Общая процедура сбора летучего органического соединения в воздухе включает применение специальных поглощающих растворов, которые могут быть кислыми, щелочными или нейтральными в зависимости от химических свойств анализируемого продукта. В качестве поглотителей часто используют воду, спирт или раствор с реагентом, дающий с определяемым веществом характерный продукт. Растворы могут находиться в двух или нескольких последовательно соединенных барботерах.

Для определения органических соединений наиболее часто применяют инструментальные методы. К ним относят прежде всего электрохимические методы и методы, основанные на оптических свойствах. В настоящее время промышленность выпускает портативные анализаторы, основанные на обнаружении ионизации в пламени. Анализаторы пригодны для определения ацетилена, метана, пропана, пентана, гексана, гептана, октана, ацетона, толуола, ксилола, бензола, этилацетата, этилового и метилового спиртов.

114

Принцип работы анализатора заключается в том, что при введении в водородное пламя следов углеводорода образуется большое число ионов. Если между форсункой горелки и коллекторной пластинкой приложить поляризующее напряжение, то создается электростатическое поле и возникает миграция ионов (положительные ионы - к коллектору, отрицательные - к форсунке горелки). Возникающий ток ионизации, который измеряют, прямо пропорционален концентрации углеводорода в пламени.

Для обнаружения следов дыма в воздухе применяют дымовой нефелометр, который снабжен разными детекторами ионизационного типа, основанные на замере изменений электропроводности воздуха, вызванных слабым радиоактивным излучением. В последние годы разработаны двухлучевые нефелометры, в 100 раз чувствительнее детектора ионизационного типа. В таком приборе один пучок света пропускают через ячейку с анализируемым воздухом, а другой пучок света - через ячейку, содержащую условно чистый воздух (взятый за пределами здания). Различие в рассеянии света пропорционально содержанию частиц дыма. Так обычно получают сигнал о пожаре.

Жидкостная хроматография при атмосферном и повышенном давлении (ЖХВД) быстро развивается для определения различных загрязняющих органических веществ. Жидкостной хроматограф состоит из хроматографической колонки, насоса и соответствующего детектора. Подходящий растворитель подают в колонку, и образец разделяется в ней на компоненты. Для уменьшения времени разделения (несколько минут) используют насосы высокого давления. Развитие метода сопровождается совершенствованием колонок, насосов и детекторов. В последнее время успешно применяется метод высокоэффективной жидкостной хроматографии. Например, с помощью этого метода возможно определение в биологических жидкостях формальдегида, ацетальдегида, пропионового и масляного альдегидов при их совместном присутствии.

Тонкослойная хроматография (ТСХ). Метод для полуколичественного анализа нелетучих органических и неорганических соединений. Применяется для определения компонентов твердых макрочастиц, загрязняющих воздух. В ТСХ стеклянная

115

пластинка поддерживает слой адсорбента и пятно анализируемой смеси наносится вблизи одного края пластинки. Край, расположенный ниже пятна, погружают в выбранный растворитель, который движется за счет капиллярных сил в слое адсорбента. При хорошем подборе системы смесь – растворитель - адсорбент загрязняющие вещества движутся по слою и разделяются. После того как фронт растворителя прошел более 80-90 % расстояния, пластинку удаляют из растворителя. Пределы обнаружения – 10 мкг-1 мг. Для снижения предела обнаружения проводят предварительное концентрирование. Основные методы количественной оценки разделенных на пластинке соединений включают визуальное сопоставление, измерение площадей пятна и УФ-анализ пятен, определение отражающей способности и флуоресценции пятен. Пятно может быть выделено путем экстракции адсорбента, и экстракт подвергают анализу известными методами.

Для определения радиоактивных твердых загрязняющих веществ в воздухе проводят отбор проб в заборники воздуха большого объема в виде специальных фильтров с порами определенного размера. Наиболee эффективны специальные мембранные фильтры с порами определенного размера. Измерения проводят с помощью счетчика α-, β-, γ- излучения. Обычно измеряют активность, так как β- и γ– активные изотопы присутствуют в нормальном воздухе в результате выпадения радиоактивных осадков. Большинство современных методов основано на использовании сцинтилляционных счетчиков.

Вопросы для самопроверки

1.Как определяют неорганические вещества в воздухе?

2.Перечислите методы определения органических веществ в атмо-

сфере.

ГЛАВА 12

ПОЧВА КАК ОБЪЕКТ АНАЛИЗА

Почва и грунты представляют собой среду для производства продовольственных продуктов и предметов одежды, а также являются источником питьевой воды. Помимо этого, земля – это та среда, где нам суждено жить. Именно поэтому чистая

116

земля - чистая почва и грунт - так важна для человеческого здоровья.

Почва постоянно находится под воздействием деятельности человека, представленной в форме сельскохозяйственного производства, промышленности, добычи различных минералов, мусорных свалок, накапливания загрязняющих веществ образующихся первично в атмосферных выбросах при производстве тепла и энергии, промышленной деятельности, транспортного движения, сжигания мусора и т.п. Ухудшение качества почвы или загрязнение ее химическими веществами, вредными для человеческого здоровья, может произойти в результате воздействия любого из перечисленных видов человеческой деятельности.

Помимо необдуманного обращения с почвой (использование пестицидов и размещение отходов на свалках) отмечается воздействие, главным образом, как нежелательный результат осуществления широкого диапазона деятельности, включая и выбросы и утечки химических веществ, а также накопление растущего числа загрязнителей, образующихся и распространяющихся в атмосферном воздухе.

Почва – богатейший естественный ресурс любой страны и в первую очередь это мост между живой и неживой природой. В ее состав входят продукты выветривания и распада коренных пород, вода, органические вещества, различные газы. В ней живут тысячи различных микроорганизмов и насекомых, поддерживающих экологическое равновесие ненарушенных почв. Неправильная эксплуатация почвы вызывает ее безвозвратное уничтожение, обусловленное горно-промышленными разработками, засолением, загрязнением промышленными отходами и, наконец, эрозией. Естественная почвенная эрозия протекает медленно, однако под влиянием хозяйственной деятельности эрозия почвы многократно усиливается. В результате эрозии за 100 лет потеряно 2 млрд га плодородных земель, или 27% земель сельскохозяйственного использования. Во время пыльных бурь каждого сантиметрового слоя пашни с гектара уносится 30 кг азота, 20 кг фосфора и более 30 кг калия. Разрушению почвы способствует вырубка лесов.

117

Наиболее распространенной является водная эрозия, которая наносит огромный ущерб экономике. Это форма эрозии типична для тех районов, где практикуются неправильные методы обработки земли. Ежегодный смыв почвы на земном шаре достигает 25 млрд т. Эта почва попадает в реки, а затем в океаны. По данным Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) водная эрозия охватила 11,6% территории Африки, 17,1% территории стран Ближнего Востока. В Индии из 297 млн га пахотных земель эрозией охвачено 90 млн га. Снижение продуктивности сельскохозяйственных угодий и накопление осадочного материала в низовьях рек приводит к осложнению судоходства, наводнениям, заливанию водохранилищ. Серьезной причиной эрозии почв могут быть ливневые потоки, сильные ветры, продолжительные засухи, которые, однако, не являются главной опасностью. Эрозия возникает, как правило, вследствие внедрения систем сельскохозяйственного производства, разработанных без учета подверженности почв смыву или дефляции. Поэтому проблема охраны почв от эрозии тесно связана с задачами преодоления отсталости в земледелии. Почва в отличие от воздуха и воды, наиболее сильно подвергается загрязнению. В почве протекают различные физические, химические и биологические процессы, которые в результате загрязнений нарушаются. Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы. Основными загрязняющими веществами являются металлы и их соединения, радиоактивные вещества, удобрения и пестициды.

Промышленная и коммерческая деятельность в течение длительного времени приводит к образованию большого количества загрязненных территорий. Непродуманное обращение с химическими веществами и нефтепродуктами приводит к сбросу и утечке химикатов, а также нефтепродуктов в окружающую почву и грунты.

Большинство загрязненных участков расположены на городских территориях, что создает потенциальную угрозу для местного населения вследствие загрязнения почв и грунтов. Более того, жилые дома, построены на этих территориях во времена, когда еще не существовало серьезных причин для всеобщей

118

обеспокоенности проблемами загрязнения почв, поэтому строительство осуществлялось без соблюдения каких-либо защитных мер против воздействия вредных веществ.

Можно выделить следующие источники загрязнения почв:

1.Жилые дома и бытовые предприятия. В основном это бытовой и строительный мусор, пищевые отходы, фекалии, отходы отопительных систем, мусор общественных учреждений (больницы, столовые, магазины и др.).

2.Промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах содержатся те или иные вещества, оказывающие токсическое воздействие. Это соли цветных и тяжелых металлов, цианиды, соединения мышьяка, бериллия, отходы бензола, фенола, метанола и др.

3.Теплоэнергетика. Образование шлаков при сжигании каменного угля, а также выделение в атмосферу сажи, оксидов серы, которые в конечном итоге оказываются в почве.

4.Сельское хозяйство. Удобрения, ядохимикаты, применяемые в сельском и лесном хозяйстве для защиты растений от вредителей и болезней.

Интенсивное использование сельскохозяйственных угодий приводит к ухудшению качества почвы. Влияние на состояние сельхозугодий оказывают применяемые пестициды, вносимые иловые осадки и удобрения. Применение пестицидов на сельхозугодиях считается проблемой из-за риска выщелачивания поверхности и проникновения загрязнения в грунтовые воды. Накопление тяжелых металлов в верхнем слое почвы может быть прямым или косвенным источником угрозы для здоровья человека.

5.Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания выделяются оксиды азота, углерода, свинец, углеводороды и другие вещества, оседающие на почву или поглощаемые растениями. В последнем случае эти вещества также проникают

впочву.

6.Распространение загрязнения, образованного в воздушной среде.

На качество почв, особенно в городских зонах, оказывают воздействие выбросы в атмосферный воздух от работы транспортных средств, от сжигания отходов и топлива на тепловых и

119

электростанциях. Воздействие загрязнения на состояние воздушного бассейна обусловливается диффузией загрязнителей на обширных территориях городских территорий. Некоторые из этих загрязнителей представляют риск для человеческого здоровья (в частности, для здоровья детей) из-за наличия в них тяжелых металлов (в основном свинца), а также полициклических ароматических углеводородов в поверхностном слое почв. Предполагается, что территория площадью порядка 200 км2 подвержена воздействию загрязнения, аккумулируемого из воздушной среды. Из этой площади, по оценкам, приблизительно 20 км2 используется на социально значимые нужды - для строительства жилья, детских садов и общественных спортивноразвлекательных площадок.

Самоочищения почв практически не происходит, токсические вещества накапливаются, способствуя изменению химического состава почв. Из почвы токсические вещества через продукты питания попадают в организм человека и вызывают различные заболевания. В почвах накапливаются и тяжелые металлы: ртуть, свинец, медь, железо, хром и др. Ежегодно выбросы ртути в почву составляют 4-5 тыс.т, а из каждой тонны добываемого свинца до 25 кг поступает в почву. Большое количество отходов образуется при добыче полезных ископаемых. Так, в местах добычи калийных руд сейчас скопилось около 250 млн т таких отходов, которые в основном содержат хлористый натрий. Большое количество отходов получается и при обогащении фосфатного сырья. Так, в районе Хибин скопилось 300 млн т «хвостов», выбрасываемых фабриками. Тепловые электростанции дают 70 млн т золы и шлаков в год.

Ежегодные затраты на содержание и эксплуатацию золоотвалов исчисляются десятками миллионов рублей. Стандарты ПДК по загрязнению почв окончательно еще не установлены. Однако широкий круг загрязняющих веществ уже сейчас можно определить с помощью химических, физических и других методов.

Воздействие на человека

Степень воздействия на человека экологических факторов, присутствующих в почве и грунте (вредные химические вещества), зависит от степени использования земли, концентрации

120

загрязнения в почве и грунте и степени риска загрязнения других компонентов среды (грунтовые воды и воздух).

Пути воздействия экологических факторов почвы могут быть разделены на два вида: воздействие прямое и воздействие опосредованное, или косвенное.

Прямое воздействие загрязняющих веществ почвы и грунтов через:

• попадание в систему пищеварения частиц почвы

(пыли),

•кожные контакты,

•попадание в систему дыхания частиц почвы/пыли,

•вдыхание веществ, испаряющихся из почвы (особенно внутри помещений).

Опосредованное (косвенное) воздействие через:

•употребление загрязненных зерновых культур, выращиваемых на загрязненных почвах;

•употребление загрязненных продуктов животноводства (от животных, выводимых на загрязненных почвах);

•употребление загрязненной питьевой воды (непосредственное питье, кожные контакты, вдыхание аэрозолей);

•употребление загрязненной рыбы;

•через воду для купания;

•использование текстиля, производимого из сельскохозяйственного сырья (лен и хлопок).

Наиболее серьезные пути внешнего воздействия:

•попадание почвы в систему пищеварения (дети);

•кожные контакты с почвой;

•вдыхание воздушных испарений (испарение во внутренних помещениях);

•попадание с питьевой водой;

•употребление сельскохозяйственной продукции с загрязненных почв.

Рассматриваются в первую очередь перечисленные выше пути внешних воздействий, и критерии качества почвы устанавливаются с учетом прямого воздействия почвы (попадание через систему пищеварения и (или) кожные контакты с почвой).