СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Характеристика средств экологического контроля и диагностики по используемым методам исследований: средства экологического контроля по используемым методам подразделяются:

  • 1) на контактные;
  • 2) дистанционные;
  • 3) биологические.
  • 1. Контактные методы контроля и диагностики состояния окружающей среды представлены в настоящее время классическими методами химического и физического анализа, а также современными методами инструментального (физико-химического) анализа (рис. 3.5).

К наиболее применяемым контактным методам анализа относятся спектральные, электрохимические и хроматографические методы:

Спектральные методы базируются на атомной спектроскопии (нейтроноактивационный, рентгеноспектральный, рентгенофлуоресцентный, эмиссионный и атомно-абсорбционный) и молекулярной спектроскопии (фотометрия, люминесцентная, радиоволновая и ИК-спект-роскопия).

Электрохимические методы группируются как методы без протекания электродной реакции (прямые кондуктометрические и кондуктометрическое титрование) и методы, основанные на протекании электродной реакции в отсутствие тока (потенциометрические и электрохимические сенсоры) и под действием тока (вольтамперометрические, амперометрическое титрование, кулонометрические).

Методы контактного анализа и диагностики состояния окружающей среды

Рис. 3.5. Методы контактного анализа и диагностики состояния окружающей среды

Хроматографические методы делятся на две группы: с подвижной фазой (газ, пар) — газовая хроматография, газожидкостная хроматография и с неподвижной фазой (жидкость) — высокоэффективная жидкостная хроматография и тонкослойная хроматография.

Общая схема контроля и анализа включает:

  • 1) отбор пробы;
  • 2) обработку пробы с целью консервации параметра;
  • 3) транспортировку;
  • 4) хранение и подготовку пробы к анализу;
  • 5) измерение контролируемого параметра;
  • 6) обработку и хранение результата.

Эффективность этих методов контроля и анализа за состоянием объектов окружающей среды оценивается по показателям:

  • • селективность и точность определения;
  • • воспроизводимость результатов;
  • • чувствительность определения;
  • • пределы обнаружения элемента;
  • • экспрессивность.
  • 2. Дистанционные методы диагностики и контроля окружающей среды основаны на использовании свойств зондирующих полей (электромагнитных, акустических и гравитационных) осуществлять взаимодействие с контролируемым объектом и фиксировать полученную информацию на датчиках. К наиболее распространенным относятся аэрокосмические и геофизические методы диагностики.

Основными видами аэрокосмических методов наблюдения являются оптическая фотосъемка, телевизионная, инфракрасная, радиолокационная, радарная и многозональная съемка.

Геофизические методы исследования применяются для изучения состава, строения и состояния массивов горных пород, где могут развиваться опасные геологические процессы (магниторазведка, электроразведка, терморазведка, визуальная съемка (фото-, теле-), ядерная геофизика, сейсмические, геоакустические и др.), а также для наблюдений в системе мониторинга наземных объектов: районов размещения особо опасных и дорогостоящих промышленных и гражданских объектов строительства, промзон, в которых ведется добыча полезных ископаемых, территорий, занятых топливно-энергетическими комплексами, промышленными предприятиями с неблагоприятной экологической обстановкой, и территорий, на которых расположены уникальные архитектурные сооружения и исторические памятники.

Основным видом изучения опасных геологических явлений и процессов являются комплексные инженерно-геологические съемки, включающие аэрокосмические, геофизические, математические, геодезические и гидрогеологические наблюдения.

С 1990 г. в России проводится организация экологического мониторинга с использованием космических средств. Основными из них являются системы дистанционного зондирования «Метеор», «Океан», «Ре-сурс-О», «Ресурс-2» и др.

Возможность свободного приема спутниковой информации наземными станциями обеспечивается Всемирной метеорологической организацией согласно концепции «открытого неба».

На территории России активно развивается сеть станций приема данных от спутников NОЛЛ (американские метеорологические спутники), образующая наземную инфраструктуру регионального экологического мониторинга: в Москве (Институт космических исследований РАН, ВНИИ ГОЧС МЧС); Красноярске (Институт леса СО РАН); Иркутске (Институт солнечно-земной физики СО РАН); Салехарде (Госкомитет по охране окружающей среды Ямало-Ненецкого автономного округа); Владивостоке (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН).

С помощью спутниковых данных дистанционного зондирования можно решать следующие задачи диагностики состояния окружающей среды:

  • • определение метеорологических данных;
  • • контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;
  • • контроль загрязнений почвы и водной поверхности;
  • • обнаружение выбросов промышленных предприятий;
  • • контроль состояния лесопарковых зон;
  • • обнаружение пожаров и определение пожароопасных зон;
  • • выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов теплоэлектроцентралей и крупных производств в мегаполисах;
  • • мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;
  • • регистрация дымных шлейфов от труб;
  • • контроль динамики снежных покровов и загрязнений их.
  • 3. Биологические методы диагностики и контроля окружающей среды — это интегральные характеристики и оценка качества среды обитания человека. Она осуществляется путем биоиндикации и биотестирования.

Биоиндикаторами называются растительные и животные организмы, наличие, количество, состояние и поведение которых служат показателями изменения качества среды их обитания, включая присутствие загрязнителей.

Биотестирование основано на реакциях тест-объектов, организмов, помещаемых в исследуемую среду.

Методы биоиндикации основаны на наблюдениях отдельных организмов в естественной среде обитания с целью определения по их реакции качества окружающей среды. Могут применяться также популяционные и экосистемные критерии через показатели численности и биомассы, соотношения в обществе, распределение по признакам и т.д.

Применяются также патолого-анатомические и гистологические методы биоиндикации, эмбриональные методы диагностики, иммунологические, генетические.

Методы биотестирования уже давно используются как способ интегральной оценки токсичности загрязнений в системе мониторинга качества окружающей среды за рубежом и начинают применяться в России. Уже есть отдельные нормативные документы по биотестированию.

  • 1. РД 52.18.344—93. Методика выполнения измерений интегрального уровня загрязнения почвы техногенных районов методом биотестирования.
  • 2. ПНД ФТ 14.1:2:3:4.7 — 02,16.1:3:3:3.4 — 02 «Токсикологические методы контроля. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний».

Оперативные средства контроля и диагностики загрязняющих веществ

в окружающей природной среде

Газовая хроматография. В основу данного метода заложен принцип анализа смеси веществ в результате распределения компонентов между несмывающимися фазами, одна из них при этом является подвижной — инертный газ (азот, гелий и др.), другая — неподвижной (как правило, высококипящая жидкость или фаза). Рассматриваемый метод имеет две практические модификации, а именно: метод газоадсорбционной и метод газожидкостной хроматографий.

Разделение компонентов смеси при этом происходит в хроматографической колонке, которая может быть как набивной (длина 1—3 м, диаметр около 4 мм, материал — стекло, сталь и др.), так и капиллярной (в данном случае длина — до 50 м, материал — стекло, кварц).

Многое в данном методе зависит от квалифицированного и обдуманного выбора неподвижной фазы. Это связано с фактором, в соответствии с которым эффективность колонки зависит от размера частиц, на которые наносится жидкая фаза. Практические опыты показали, что для стандартных набивных колонок оптимальный размер частиц составляет порядка 0,12—0,17 мм. Рационально также учитывать близость частиц к анализируемым соединениям, учитывая степень их полярности. В частности, неполярными фазами для газоадсорбционной хроматографии могут выступать силикагель, оксид алюминия, цеолиты, полимерные сорбенты (полисорб, поропак и пр.). Активно употребляемыми неподвижными жидкими фазами являются карбовакс, силиконовые элясто-меры, апиезоны и др., подвижными — азот, гелий, аргон, пары воды.

Одним из краеугольных элементов методологии хроматографии являются используемые детекторы, распространение получили следующие типы.

  • 1. Детектор теплопроводности (катарометр), действие которого заключается в различии теплопроводностей анализируемого вещества и газа-носителя.
  • 2. Детектор ионизационно-пламенный использует зависимость электропроводности пространства между электродами и числом находящихся в нем ионизированных частиц, образующихся в водородном пламени под действием термических и окислительных процессов при попадании в него молекул анализируемого вещества. При этом выходным сигналом данного типа детекторов становится значение силы тока между электродами под действием приложенного к ним напряжения.
  • 3. Электронно-захватный детектор (детектор по захвату электронов) также базируется на эффекте зависимости электропроводности промежутка между электродами и числом ионов, находящихся в данном промежутке, которое, в свою очередь, коррелирует и частично детерминируется числом молекул, поступающих в детектор. Тем не менее в отличие от предыдущего типа детектора в электронно-захватном ионы образуются в результате взаимодействия молекул анализируемого вещества с потоком электронов в камере детектора в результате бета-распада радиоактивного вещества. Возможность применения подобного типа детекторов ограничивается облигаторной необходимостью крайне чистого газа-носителя (в частности, применяется азот «ОСЧ», не содержащий следов кислорода, который снижал бы чувствительность детектора ЭЗД). Чувствительность и репрезентативность определения также зависят от наличия галоид-, нитро- и других групп, взаимодействующих с электронами (табл. 3.4).

Влияние галоидов в молекуле на чувствительность определения [1]

Таблица 3.4

Вещество

Чувствительность, отн. ед.

Хлорбутан

1

Хлоргептан

21

Дихлорэтан

1,5

Хлороформ

15

Хлорпентан

190

Дихлорбутан

280

Бромбутан

610

Дибромметан

110

5. Пламенно-фотометрический детектор селективен в вопросах унификации применения, обладая повышенной чувствительностью, в первую очередь по отношению к соединениям, содержащим серу.

В общем виде качественный тип анализа подразумевает сравнение периодов времени удерживания анализируемого вещества на хроматограмме с момента ввода пробы в испаритель и до момента, который соответствует максимальному значению сигнала для данного компонента.

Количественный же анализ основан на прямо пропорциональной зависимости содержания в пробе от площади пика данного компонента на хроматограмме. При этом расчет ведется преимущественно тремя рассмотренными ниже методами.

1. Метод абсолютной калибровки заключается в построении графиков зависимости высоты или площади пика Xот содержания компонентов в смеси. Расчет ведется по следующим формулам:

Х= 1000 а/у-,

Х=сУ/У20,

где а — содержание вещества, определенное по графику, мг; V — объем пробы воздуха, вводимого в испаритель хроматографа; с — концентрация вещества, рассчитанная по графику, мг/мл; У20 — объем пробы воздуха, произведенной в стандартных условиях.

  • 2. Метод внутреннего стандарта своим базисом имеет введение в анализируемую смесь известного количества вещества, принимаемого за стандарт. При этом по своим свойствам оно должно обязательно быть достаточно близко канализируемым соединениям, но полностью отличаться от них по хроматограмме.
  • 3. Существует также метод нормализации площадей пиков, который подразумевает принятие совокупной суммы площадей всех пиков с учетом поправочных коэффициентов за 100%. Для вычисления концентрации вещества (в объемных процентах) его площадь умножается на 100 и делится на сумму всех площадей. Метод прост, но может быть использован лишь тогда, когда все компоненты известны и полностью разделены.

Хроматографы состоят из следующих основных блоков:

  • 1) блок подготовки газов;
  • 2) термостат колонок (в том числе испаритель);
  • 3) детектор;
  • 4) регистратор (самописец).

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХУ) — это хроматографический метод, который позволяет разделять высококипящие жидкости и (или) твердые вещества, затруднительно либо нецелесообразно определяемые методом газожидкостной хроматографии (в частности, полициклические ароматические углеводороды, аминокислоты,

ПАВ, пестициды, лекарственные препараты, углеводы). При этом такой хроматограф состоит:

  • • из колонок из нержавеющей стали, толстостенного стекла, тантала или меди; диаметр 1—6 мм, длина от 10—15 см до 7 м;
  • • пористых носителей: силикагель, хромосорб, биосил и др. с удельной площадью более 50 м/г и диаметром частиц 0,005—0,05 мм;
  • • детекторов: рефрактометрический с чувствительностью 10 г/мл, УФ-детектор с чувствительностью 10 и флуориметрический с чувствительностью 10 г/мл, а также электрохимический;
  • • подвижной фазы (ацетонитрил, метанол и пр.).

В случае применения тонкослойной хроматографии (ТСХ) необходимое разделение происходит на специальных пластинках, используется силикагель, оксид алюминия, ионообменные смолы с добавками крахмала и гипса. Анализируемую смесь наносят на стартовую линию микрошприцем или микропипеткой, затем пластинку или бумагу с нанесенной пробой помещают в закрытую камеру, содержащую растворитель, который перемещается по слою сорбента (или по бумаге) под действием капиллярных сил. Компоненты смеси перемещаются вместе с растворителем с различными скоростями. По окончании разделения пластинку или бумагу вынимают из камеры, испаряют растворитель, обрабатывая струей теплого воздуха. Стоит отметить, что определяемые вещества появляются на хроматограмме в виде пятен в результате обработки специальным реактивом или методом флюоресценции. Содержание анализируемого компонента пропорционально площади пятен. Количественную оценку проводят или непосредственно на пластинке с помощью планиметра, или путем снятия окрашенного пятна с хроматограммы экстракции вещества растворителем и определения его содержание фотометрическим методом или с помощью денситометра.

Ионная хроматография (ИХ) включает в себя как принцип ионообменной хроматографии (т.е. последовательное использование двух колонок), таки принцип кондуктометрического детектирования. Базисом данного метода является ионообменное разделение ионов на первой (разделяющей) колонке с последующим подавлением фонового сигнала — элюента на второй (подавляющей) ионообменной колонке. Ионообменные колонки заполняют неподвижными фазами, содержащими в своей структуре ионогенные группы, способные к реакции обмена и обладающие высокой проникающей способностью. При анализе катионов колонку для разделения заполняют сульфированными катионитами низкой емкости, а подавляющую колонку — анионитом высокой емкости. В качестве элюентов используют растворы НС1 и HN03, гидрохлорида пиридина и др., в качестве подвижной фазы раствора карбоната и гидрокарбоната натрия.

Стоит отметить, что сегодня широкое распространение получает метод ионной хроматографии без подавления фонового сигнала элемента и с различными способами детектирования: фотометрический, атомноабсорбционный, ионометрический (ионселективные электроды). Достоинства этого метода — низкий предел определения — 1 мг/мл, селективность, возможность одновременного определения неорганических и органических ионов, экспрессность, широкий диапазон определяемых концентраций. В данных целях возможно использование отечественного хроматографа «Цвет-3006», кондуктометрического детектора, микропроцессора.

Хроматомасс-спектрометрия (ХМС) является, по сути, модификацией газовой хроматографии в части применения масс-спектрометра в качестве детеюэра (например, М И— 1201). Этот метод эффективен тем, что позволяет расшифровывать состав сложных смесей, содержащих сотни неидентифицированных компонентов, и определять их по одной пробе.

Полярография (собственно, как и вольтамперометрия) является разновидностью электрохимических методов анализа. Полярограмма представляет собой зависимость силы тока от величины приложенного напряжения на электроды. При этом методе не происходит физического разделения смеси на отдельные компоненты. В качестве катода чаще всего применяют ртутный капающий электрод (РКЭ), поверхность которого непрерывно обновляется, позволяя тем самым получать поляро-граммы и проводить анализ с высокой воспроизводимостью результатов. Необходимо отметить, что прямое определение возможно лишь при наличии веществ, способных восстанавливаться на РКЭ: ионы металлов, органические соединения, содержащие галоид-, нитро-, нитрозогруппы, карбонильные соединения, пероксиды, эпоксиды, дисульфиды и т.д. Это несколько ограничивает возможности метода, однако при определение полярографических активных соединений позволяет достичь высокой селективности определения без предварительного разделения сложных смесей на отдельные компоненты.

Среди типов полярографии в первую очередь выделяют следующие.

  • 1. Постоянно-токовая (классическая) полярография.
  • 2. Переменно-токовая:
    • а) в зависимости от формы амплитуды переменного тока:
      • • квадратно-волновая;
      • • трапецеидальная и др.;
    • б) в зависимости от полярности электрода, который используют как индикаторный:
      • • катодная (восстановления);
      • • анодная (окисления), иногда ее называют вольтамперометрия.

В анодной полярографии в отличие от катодной используют только

твердый электрод (в частности, графитовый).

В качестве электролита применяют фоновый или индифферентный, т.е. раствор кислоты, соли, буферный раствор более сложного состава, в котором растворяют анализируемую пробу.

Анализ атмосферного воздуха производится с помощью газоанализаторов (определение БО,, N0, СО и других газов). Газоанализаторы, в отличие от стационарных приборов (хроматографы, полярографы и др.), не позволяют достигнуть столь же высокой чувствительности, точности и селективности. Тем не менее при необходимости оперативного контроля содержания примесей загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, и особенно в воздухе рабочей зоны и в промышленных выбросах, они обоснованно являются эффективными и рациональными по применению.

Спектроскопические методы (определение содержания почти всех элементов в воздухе, воде и почве; основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением).

Различают атомную и молекулярную спектроскопию, методы атомной спектроскопии базируются на явлениях поглощения и испускания света свободными атомами, а также их люминесценции.

Методы молекулярной спектроскопии в зависимости от характера взаимодействия излучения с исследуемым веществом и способу его измерения подразделяются:

  • • на абсорбционные;
  • • нефелометрические;
  • • турбидиметрические;
  • • люминесцентные.

Абсорбционный спектрофотометрический анализ основан на определении спектра поглощения и измерения светопоглощения при строго детерминированной длине волны.

Абсорбционный фотоколориметрический анализ основан на измерении интенсивности окраски исследуемого окрашенного раствора и сравнении ее со стандартным с применением упрощенных способов монохро-матизации (светофильтров).

Нефелометрический анализ основан на использовании рассеяния света взвешенными частицами и поглощении света в результате светорас-сеивания (турбидиметрия).

Люминесцентный (флуориметрический) анализ основан на измерении интенсивности излучения в результате поглощения фотонов молекулами.

Для измерения флуоресценции используют спектрофлуориметры и флуориметры, а измерение фосфоресценции осуществляется фосфори-метрами.

Для детектирования люминесцентного излучения используют фотоумножители, преобразующие световой сигнал в электрический, и счетчики фотонов.

Методы атомной спектроскопии используются при контроле воздуха рабочей зоны для определения металлов. К отечественным приборам, осуществляющим атомно-эмиссионный анализ, относятся: спектрограф кварцевый ИСП-30, спектрограф ИСП-5, спектрограф ДФС-8, спектрограф дифракционный ДФС-452, микрофотометр регистрирующий ИФО-451, ИСП-спектрометр Эридин 500.

Эмиссионный плазменно-фотометрический анализ основан на изменении интенсивности излучения атомов, возбужденных в пламени, электрической дуге, искре. Получающиеся спектры называются спектрами испускания или эмиссионными. Основные приборы: плазменные фотометры со светофильтрами и спектрофотометры для измерения ИСП-51, ДФС-8 и др.

Атомно-абсорбционная спектрометрия — это аналитический метод определения элементов, основанный на поглощении излучения свободными (невозбужденными) атомами.

Основные приборы: атомно-абсорбционные спектрофотометры типов С-115, С-302, «Сатурн», «Квант», приборы фирмы «Цейс» АЛБ-Х иААБ-2.

Электрохимические методы

Известны две разновидности электрохимических методов: без протекания электродной реакции (кондуктометрия) и с электродной реакцией как в отсутствие тока (потенциометрия), так и под током (вольтамперометрия, кульнометрия, электрогравиметрия).

Электрохимические измерения проводятся с использованием электрохимического раствора, в который погружаются электроды. На электродах протекают различные физические и химические процессы, о степени протекания которых судят путем измерения напряжения, силы тока, сопротивления, электрического заряда или подвижности заряженных частиц в электрическом поле.

Различают прямые и косвенные электрохимические методы. В прямых используют функциональную зависимость силы тока (потенциал) от концентрации определенного компонента, в косвенных — силу тока (потенциал) измеряют с целью нахождения конечной точки титрования определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используют функциональную зависимость измеряемого параметра от объема тит-ранта.

Для измерения и контроля, преобразования полученных значений в единицы концентрации или активности используются потенциометрические приборы и иономеры.

Большие аналитические возможности у амперометрического титрования — почти все элементы и большое число органических соединений. Для этого используются полярографы.

В целом можно отметить, что с 1990-х гг. в России внедряются компьютеризированные многоцелевые эколого-аналитические компоненты с высокочувствительными и избирательными методами анализа, унифицированными и стандартными устройствами пробоотбора, универсальными хроматографическими и спектрометрическими анализаторами, системами экспрессного контроля на основе химических сенсоров, средствами метрологического обеспечения измерений, базами данных для идентификации анализируемых веществ, вычислительными комплексами для обработки, хранения и передачи полученной информации. Но все это требует больших капитальных и эксплуатационных затрат.

  • [1] Детектор термоионный по принципу действия аналогичен ионизационно-пламенному с разницей в том, что в водородное пламя дополнительно непрерывно поступает поток ионов щелочных металлов (калия, натрия, цезия). В присутствии последних резко возрастает эффективность ионизации соединений, содержащих азот, фосфор, хлор и пр. Подобный тип детекторов оправдан и целесообразен в случаях определения ФОС и азотсодержащих соединений.
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >