Методы измерения параметров состояния окружающей среды и экологических показателей транспортных объектов

План



Введение

Методы оценки загрязнения газовых потоков

Методы оценки параметрических загрязнений

Методы оценки загрязнения водной среды, почв, грунтов и растительности

Список литературы




Введение



Количественная оценка промышленно-транспортных воздействий на окружающую среду необходима для:

	определения значимости отдельных факторов и выявления соответствующих закономерностей;

	разработки эффективных механизмов управления природоохранной деятельностью и рациональным использованием природных ресурсов в промышленности и на транспорте.

Она осуществляется в результате мониторинга промышленно-транспортных объектов и окружающей среды, т.е. слежения за промышленно-транспортными объектами как источниками загрязнений и изменением состояния окружающей природной среды, а также предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов.

Особенности мониторинга объектов промышленности и транспорта, диктующие требования к измерительным приборам, оборудованию, программным средствам и расчетным методикам, связаны с:

	множественностью подвижных источников загрязнения переменной интенсивности выбросов во времени и в пространстве;

	распределенностью источников загрязнений на значительной площади территории;

	наличием большого числа параметров, которые необходимо измерять регулярно или непрерывно с высокой степенью достоверности.

В связи с этим возникают особые требования к конструкции приборов, использованию специальных методов измерений и оценки экологически значимых показателей транспортных средств, материалов, технико-эксплуатационного состояния инженерных сооружений, параметров состояния окружающей среды. Речь идет о создании комплексной системы мониторинга на основе аэрокосмического зондирования и наземного оперативного сопровождения с использованием стационарных и передвижных постов наблюдений.

Обязательным условием успешной работы такой системы является широкое использование специальных программных средств и математических методов обработки, анализа массивов текущей информации о промышленно-транспортных объектах и изменении состояния окружающей среды, восстановления информации о характеристиках транспортных потоков, уровнях загрязнения воздуха, воды, почвы, растительности на значительной площади территории (до 1000 км2), используя в качестве исходных данных результаты измерений этих параметров в отдельных (репрезентативных) точках пространства. Эти методы и средства необходимы для визуализации и представления результатов мониторинга в форме, удобной для принятия эффективных управляющих решений.




Методы оценки загрязнения газовых потоков



Для определения концентраций вредных примесей в атмосферном воздухе вблизи автомагистралей и в отработавших газах двигателей используются разные методы оценки, когда анализируются индивидуальные пробы газа, взятые дискретно и при непрерывных измерениях.

Основные требования к отбору проб газа и его анализу следующие:

	все части системы отбора должны быть инертны по отношению к исследуемому компоненту;

	температура системы отбора проб должна поддерживаться на уровне, исключающем конденсацию паров или взаимодействие компонентов исследуемой газовой смеси друг с другом;

	объем пробы должен быть точно измеренным и достаточным для обеспечения требуемой точности измерений.

Автоматические приборы непрерывного действия используются для оперативного контроля уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи интенсивных источников выбросов (объектов энергетики, автомагистралей, химических производств и др.). Для определения токсичности автомобилей (двигателей) используют приборы анализа индивидуальных проб на определенном режиме работы двигателя или при испытаниях по ездовым циклам, а также приборы непрерывного действия.

В газоаналитической аппаратуре реализуются следующие методы измерений:

Непосредственное измерение показателя, характеризующего вредное вещество, без изменения химического состава пробы газа.

Используются приборы, построенные на принципах избирательной абсорбции света в инфракрасной, ультрафиолетовой и видимой частях спектра, парамагнетизма, изменения плотности, теплопроводности, показателя преломления света.

 2. Вредное вещество, подлежащее измерению, переводится путем химических реакций в состояние, обладающее свойствами, доступными автоматическому измерению. Используются приборы фотометрического, гальванометрического, потенциометрического, термохимического принципов действия.

В конструкциях наиболее распространенных анализаторов различных газов используются разнообразные методы (табл.1).



Таблица 1. Методы анализа загрязнения воздуха

Метод анализа

Вещество

Абсорбционный метод спектрального анализа (инфракрасная и ультрафиолетовая области спектра)

Пламенно-ионизационный

Хемилюминесцентный

Флуоресцентный, пламенно-фотометрический

Радиометрический, гравиметрический

Электрохимический

СО, О3





Углеводороды, органические вещества 

NO, NO2, О3 

SO2, H2S 

Пыль

СО, SO2,H2S



Абсорбционный метод спектрального анализа газов основан на свойстве веществ избирательно поглощать часть проходящего через них электромагнитного излучения. Специфичность спектра поглощения позволяет качественно определять состав газовых смесей, а его интенсивность связана с количеством поглощающего энергию вещества. Каждому газу присуща своя область длин волн поглощения. Это обусловливает возможность избирательного анализа газов.

Сущность метода заключается в следующем: если поочередно (путем обтюрации) пропускать поток монохроматического инфракрасного (ИК) излучения, образованный после прохождения им интерференционного фильтра, через кювету с используемой газовой смесью и без нее, то на приемнике ИК-излучения будет регистрироваться переменный сигнал, который несет информацию о количестве ИК-энергии, поглощенной анализируемым газом с частотой обтюрации и, следовательно, о концентрации анализируемого газа. Анализаторами этого типа производится в частности оценка концентрации СО в атмосферном воздухе.

Недисперсионные оптико-акустические (инфракрасные) газоанализаторы широко применяются при контроле содержания СО, пропана СзH8, гексана С6H14 в отработавших газах бензиновых двигателей при работе на холостом ходу и под нагрузкой. Разработаны и комбинированные приборы для одновременного определения содержания суммарных углеводородов, СО в отработавших газах и частоты вращения коленчатого вала в двигателях автомобилей и мотоциклов.

В энергетике используются газоанализаторы, в которых для оценки концентраций газовых примесей вместо инфракрасных излучателей используются ультрафиолетовые.

Здесь концентрации примесей также определяются по спектру поглощения. При прохождении светового луча через газовую среду часть его энергии поглощается или рассеивается. Молекула определенного вещества (SO2, NO, NO3, NH3) поглощает энергию в своем специфическом диапазоне длин волн. Измерение концентраций в автоматическом режиме рассматриваемых веществ происходит одновременно без сложной процедуры сканирования спектра.

Электрохимический метод газового анализа основан на использовании химических сенсорных датчиков, состоящих из двух чувствительных элементов и определенного химического покрытия, которое непосредственно контактирует с анализируемой средой и на котором происходит адсорбция анализируемого вещества. В зависимости от того, какие физические свойства, зависящие от количества адсорбированного вещества, измеряются, датчики делятся на потенциометрические, кулонометрические, полярографические и др.

Электрохимические газоанализаторы отличаются сравнительной простотой, низкой чувствительностью к механическим воздействиям, малыми габаритами и массой, незначительным энергопотреблением.

Пламенно-ионизационные газоанализаторы используются для измерения суммарной концентрации углеводородов различных классов, контроль которых избирательными методами анализа весьма сложен. Они обеспечивают надежное измерение в диапазоне концентраций 10—10 000 млн-1, отличаются высокой чувствительностью (до 0,001 млн1) и малой инерционностью. Позволяют раздельно определять содержание метана и реакционноспособных углеводородов, образующих в атмосфере фотохимический смог.

Метод основан на ионизации углеводородов в водородном пламени. В чистом водородном пламени содержание ионов незначительно. При введении углеводородов в пламя количество образующихся ионов значительно возрастает и под действием приложенного электрического поля между коллектором и горелкой возникает ионизационный ток, пропорциональный содержанию углеводородов. Некоторые из газоанализаторов данного типа имеют встроенный генератор водорода, что позволяет отказаться от внешних источников этого газа — газогенераторов или баллонов с водородом.

Хемилюминесцентный метод газового анализа применяется для измерения концентраций NOx, О3 и основан на реакции этих компонентов, подающихся одновременно в реакционную камеру, которая имеет вид:

NO+O3→ NO2 (NO2')+O2

Возбужденная молекула NO2 ' (образуется 5—10% от общего количества молекул NO2) отдает избыток энергии в виде излучения (в диапазоне волн длиной 600—2400 нм, с максимумом при 1200 нм)

NO2' → hv+NO2

Интенсивность излучения, измеряемого фотоумножителем, пропорциональна концентрации оксидов азота. Озон получают в генераторах в результате воздействия тлеющего разряда или ультрафиолетового излучения на кислородсодержащую смесь (воздух).

Для определения концентрации Оз в атмосфере используют реакцию озона с органическим красителем на поверхности активированного вещества, при которой также наблюдается хемилюминесценция.

Кроме того, используют в качестве газа-реагента этилен высокой степени очистки. Под действием ультрафиолетового излучения озон вступает в реакцию с этиленом, которая сопровождается люминесцентным излучением в области длин волн 330—650 нм. Газоанализаторы этого типа отличаются высокой чувствительностью и селективностью, а при наличии встроенного озонатора, высоким уровнем автоматизации и длительным сроком автономной работы без обслуживания.

Метод ультрафиолетовой флуоресценции используется в приборах для контроля SO2 и H2S. Явление флуоресценции заключается в способности определенных веществ излучать свет под воздействием излучения источника возбуждения.

Для молекул SO2 это облучение пробы газа светом в области длин волн 200—500 нм (максимум при 350 нм), когда эти молекулы переходят из возбужденного состояния в нормальное, разряжаясь частично через флуоресценцию.

Интенсивность излучения, пропорциональная содержанию SO2, регистрируется фотоумножителем. Включение в состав прибора конвертора, обеспечивающего каталитическое окисление сероводорода до диоксида серы, позволяет создать аппаратуру для одновременного контроля в газовой смеси этих веществ.

Преимущество указанного метода по сравнению с методом пламенной фотометрии в отсутствии вспомогательных газов.

Гравиметрический (весовой) метод — традиционный метод определения концентрации твердых частиц в газовых смесях, связанный с отбором пробы, пропусканием ее через фильтр, взвешиванием фильтра или определением его степени черноты по эталону. Этот метод реализован в дымомерах, которые используются для определения дымности отработавших газов дизелей.

Необходимость непрерывного контроля содержания твердых частиц в отработавших газах двигателей или атмосферном воздухе привела к широкому распространению оптических, радиоизотопных методов анализа. Оптический метод анализа (рис. 6.2) основан на измерении ослабления излучения твердыми частицами при прохождении луча света через измерительный канал определенной длины.

Метод используется для качественной оценки содержания частиц на выходе из двигателей, горелочных устройств, очистных сооружений (в единицах оптической плотности газового потока при просвечивании его заданной толщины с замером на фотоэлементе степени поглощения света).

Например, автомобильный дымомер типа «Хартридж» имеет шкалу, разделенную на 100 единиц. За единицу принята степень ослабления интенсивности светового потока на 1%. Но количественное определение содержания частиц этим методом неэффективно, так как на измерение существенное влияние оказывают цветность и дисперсность частиц. Поэтому погрешность оценки концентраций может достигать десятки процентов.

Широкое распространение получил радиоизотопный метод, лишенный этого недостатка и основанный на ослаблении β-излучения частицами. Концентрация твердых частиц (пыли) вычисляется по результатам измерений на фильтре (лента из стекловолокна) до и после нанесения пробы. Лента транспортируется в детекторный блок, где расположен радиоизотопный источник, и производится замер.

Хроматографический метод широко распространен и основан на использовании свойства разделения сложных смесей на хроматографической колонке, заполненной сорбентом.

Проба газа вводится в поток соответствующего газа-носителя простейшей форсункой и вместе с ним пропускается через колонки с твердыми адсорбирующими поверхностями (адсорбционная газовая хроматография), или с нанесенными на твердые поверхности нелетучими жидкостями (газожидкостная хроматография). Отдельные компоненты смеси с различными скоростями перемещаются в колонке, выходят из нее раздельными фракциями и регистрируются.

Газ-носитель, транспортирующий молекулы исследуемой газовой смеси, протекает с постоянной скоростью. Колонки, по которым проходит газ, калибруются для того, чтобы установить время прохождения того или иного компонента. Соответствующий детектор используется для обнаружения или определения количества того или иного компонента смеси. Количественная оценка осуществляется по интенсивности сигнала детектора или с помощью электронных интеграторов. Этим методом могут регистрироваться химически однородные вещества (индивидуальные углеводороды) со слабо выраженной качественной реакцией (N2O, СО), которые идентифицируются по специфичному времени удерживания.

Важнейшая часть газового хроматографа — детектор. В приборах, предназначенных для измерений загрязнения атмосферного воздуха, получили распространение следующие виды этих датчиков:

	пламенно-ионизационный детектор, который реагирует практически на все органические соединения, включая бензол, толуол, ксилол, фенол, формальдегид;

	электронно-захватный детектор — чувствителен к хлорсодержащим веществам;

	фотоионизационный детектор используется для контроля органических соединений и неорганических веществ (NH3, H2S, РНз);

	детектор по теплопроводности используется для контроля продуктов горения (СО, СО2, H2, SO2).

В связи с внедрением современных средств электроники и миниатюризацией аналитической части хроматографов созданы портативные (переносные) приборы для осуществления газового анализа в полевых условиях (передвижные лаборатории на транспортных средствах). Наибольший интерес представляют переносные газовые хроматографы, запрограммированные для идентификации определенных компонентов газовой смеси. Результаты выражаются непосредственно в концентрации контролируемого вещества.

Лидарная система контроля загрязнения реализует лазерно-локационный метод - комбинационное рассеяние и дифференциальное поглощение загрязняющих веществ с использованием источника лазерного излучения и предназначена для дистанционного зондирования качества атмосферы. Состоит из лидара кругового обзора, который устанавливается в промышленных зонах или вблизи автомагистралей на доминирующих строениях, и предназначен для непрерывного контроля выбросов аэрозолей, NOx, SO2 на территории радиусом 7—15 км и измерения азимута и расстояния до источника загрязнения. Лидар второго типа на базе автомобиля — комбинационного рассеяния используется для многокомпонентного анализа концентрации примесей в воздухе.



Методы оценки параметрических загрязнений



Измерение уровня шума производят с помощью шумомеров как с присоединением к ним октавных фильтров (анализаторов спектра), так и без них.

Шумомеры состоят из датчика (микрофона или акселерометра), воспринимающего звуковое давление, усилителя и выходного звена, представляющего собой стрелочный индикатор, градуированный непосредственно в децибелах.

Наибольшие требования предъявляются к датчикам. Они должны иметь широкий рабочий диапазон частот, обладать высокой и стабильной чувствительностью, не искажать воспринимаемое звуковое поле, иметь небольшие габариты и массу. Датчики бывают электродинамические, керамические, конденсаторные, пьезоэлектрические.

Шумомеры измеряют суммарные уровни интенсивности звука в четырех частотных характеристиках: А, В, С и линейной в диапазоне частот 2—40 000 Гц. Анализатор спектра шума — усилитель, который в зависимости от настройки позволяет выделять определенную полосу частот. Он устанавливает не абсолютные уровни интенсивности шума в этих полосах частот, а их соотношение, что позволяет определить полосу с максимальной энергией (интенсивностью шума).

Анализаторы спектра шума бывают фильтровые и гетерогенные. Фильтровые состоят из набора электрических фильтров, каждый из которых пропускает определенную полосу частот. В гетерогенных анализаторах получение определенной полосы пропускания обеспечивается с помощью узкополосных кварцевых фильтров. Регистрация уровней шума может осуществляться также с помощью самописца, магнитографа, магнитофона.



Методы оценки загрязнения водной среды, почв, грунтов и растительности



Для оценки уровня загрязнения водной среды используются традиционные приборы физико-химического анализа, а также хроматографы. Контролируется мутность, цвет, запах, жесткость, удельная электрическая проводимость, коэффициент светопропускания, редокс-потенциал, активность водородных ионов (рН), уровень насыщения кислородом, активность и концентрация ионов различных веществ, поступающих в воду в виде загрязнений, и другие параметры (температура, давление, скорость потока).

Химический анализ воды осуществляется с помощью лабораторных комплектов анализа воды. В эти комплекты входят химические растворы, фарфоровая и стеклянная посуда, вспомогательное оборудование, необходимое для сбора и обработки проб, выполнения химического анализа. Физико-химические свойства воды определяются с использованием фотоколориметров, атомно-абсорбционных, инфракрасных, калориметрических спектрометров, ионометров, комплексных анализаторов качества воды.

Для контроля состояния поверхности земель, качественного и количественного состава почв и грунтов, оценки уровня и состава загрязнений используются приборы и оборудование, приведенные выше (анализ водной вытяжки грунта), а также ряд специальных приборов, предназначенных для определения плотности, свойств почв, грунтов (твердомер, глубинный гамма-плотномер, сдвиговый прибор, измеритель объемной влажности), параметров снегового покрова. Широко используется переносной лабораторный комплект определения гидрофизических и физико-механических свойств грунтов.

Седиментация атмосферных транспортных аэрозолей, в частности тяжелых металлов, приводит к загрязнению растительности. Наземные части растений аккумулируют атмосферные загрязнения, и их химический состав может быть индикатором для выделения территорий с высоким уровнем воздействия транспортных средств.

Измеряемые параметры:

	физиологическое состояние растений;

	элементный состав тканей растения.

Визуальная оценка загрязнения — проявление чрезмерного (выше установленных норм) содержания различных веществ в зеленой массе строится на идентификации явно выраженных изменений вида растений:

	медь — темно-зеленые листья, толстые короткие корни;

	железо — темно-зеленая окраска листьев, замедленный рост надземных частей растения;

	цинк — хлороз и некроз концов листьев, междужилковый хлороз молодых листьев;

	свинец — темно-зеленые листья, бурые короткие корни, скручивание старых листьев;

	кадмий — бурые края листьев, красноватые жилки и черешки, скрученные листья и бурые недоразвитые корни.

Определение концентрации токсичных элементов в тканях растений осуществляется по водной вытяжке в лабораторных условиях методами, рассмотренными выше.




	Список литературы

	

	Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, Ю.В. Трофименко; Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. Шк., 2003

	Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Общий курс. В 2-х т. / Под ред. И.И. Мазура. – М.: Высшая школа, 1996.

	Богдановский Г.А. Химическая экология: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 1994.