Динамика концентраций химических элементов в снежном покрове г. Барнаула за 2002-2004 гг

ФИЗИКА_______________________________________________________________

УДК 535.536

Т.В. Андрухова, В.И. Букатый, И.П. Чефранов Динамика концентраций химических элементов в снежном покрове Барнаула за 2002—2004 гг.

В настоящее время одной из самых сложных проблем экологии является ухудшение состояния воздушного бассейна городов и близлежащих населенных пунктов. Из-за выбросов промышленных предприятий и транспорта в воздухе, а в конечном счете в снеге и почве накапливаются различные химические элементы. Так в Барнауле, являющемся крупным промышленным центром, актуальны исследования элементного состава аэрозольных загрязнений, в основном, техногенного происхождения. Эти исследования проводятся для выявления находящихся в приземном слое атмосферы химических элементов и их концентраций.

В последнее время в мониторинге загрязнения окружающей среды часто используются так называемые природные планшеты, и в этом смысле интерес представляет изучение состава снежного покрова как накопителя пыли в конечном счете накопителя различных химических элементов [1,2].

Для полной оценки степени загрязнения воздуха аэрозольными частицами, а также для комплексного изучения аэрозоля необходимо знать его микроструктуру и концентрацию содержащихся в нем химических элементов.

Целью работы является определение отдельных химических элементов в снеге Барнаула за 2002-2004 гг.

Было отобрано и проанализировано 142 образца снега. Проводился качественный и количественный атомно-эмиссионный спектральный анализ пыли, полученной в результате вытапливания снеговых проб. Пробы снега, отобранные до наёала снеготаяния (конец марта - начало апреля каждого года), дают интегральный состав аэрозолей, а отобранные помесячно с ноября по март характеризуют их изменчивость в течение зимнего сезона. Был проведен отбор снега в 8-ми точках на территории Барнаула, а также в экспериментальном районе. Исследование снегового покрова можно разделить на четыре основных этапа: 1) отбор снеговых проб; 2) подготовка исследуемых образцов; 3) исследование отобранных проб; 4) обработка и интерпретация результатов.

Надежность элементного анализа аэрозоля во многом зависит от пробоотбора и подготовки

проб к спектральному анализу. Опасность загрязнить пробу может быть уменьшена при правильном выборе метода забора аэрозоля. Для сбора аэрозольных частиц использовался метод отбора снежных проб, который проводился не только в черте города, но и за его пределами, в частности, в районе оз. Красилова, находящегося на расстоянии - 60 км от Барнаула. Измерения в районе озера рассматривались нами как фоновые. Пробы снега отбирались в виде кернов с площадью основания 200x200 мм и на всю глубину снежного покрова, в каждой точке отбора забиралось не менее 3_4-х образцов. Каждая проба снега помещалась в химически неактивную тару и хранилась до анализа при температуре от -5 “С до -20 "С. Перед анализом проба снега помещалась в стеклянную емкость и вытапливалась. Для получения сухого остатка использовался метод фильтрации. Снеговую воду пропускали через бумажный фильтр с диаметром пор 2 мкм. Осадок, представлявший основной интерес, оседал на фильтре и высушивался в чистом изолированном сосуде при температуре 18-20 °С.

При использовании бумажных фильтров в атомно-эмиссионном спектральном анализе требуется много сложных операций для удаления их органической основы и получения зольного остатка. Поэтому изготовлялась навеска, состоящая из спектрально-чистого графита и зольного остатка в объемном соотношении 1:1. Если учесть потери интересующих нас веществ на этапе озоления и разбавления графитовым порошком, то ошибка определения количества элемента составляет ~15—18%. Исследование многокомпонентной экспериментальной пробы сопряжено с трудоемким процессом определения и идентификации огромного количества спектральных линий в широком диапазоне длин волн. Для повышения достоверности результатов навеска делилась на пять частей и помещалась в чашечные электроды, которые затем сжигались в камере сгорания спектральной установки. Образцы с пробой подвергались воздействию дуги переменного тока. В качестве про-тивоэлектрода использовался графитовый электрод, заточенный по стандарту под углом 60‘ [3, 4]. Межэлектродный промежуток составлял 2 мм.

Динамика концентраций химических элементов в снежном покрове Барнаула.

Для изучения состава городского аэрозоля методом эмиссионного спектрального анализа нами была собрана и отлажена установка, блок-схема которой представлена на рисунке 1.

> г1

Ц

/

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для изучения атомно-эмиссионных спектров.

1 - блок питания и управления ИВС-28;

2 - источник возбуждения спектров ИВС-28;

3 - трехлинзовый конденсор;

4 - спектрограф ДФС-452; 5 - ФЭУ;

6 - схема формирования меток;

7 - самописец типа «ЭНДИМ»

Для возбуждения атомных спектров использовался прибор ИВС-28. Для регистрации полученного при помощи ИВС-28 спектра использовался дифракционный спектрограф ДФС-452 высокой разрешающей способности. В спектрограф ДФС-452 встроен двигатель, при помощи которого осуществляется поворот дифракционной решетки. Для регистрации спектра использовался фотоумножитель ФЭУ-9 со способностью разрешать в диапазоне длин волн 180-700 нм. Сигналы с выхода ФЭУ и выхода усилителя меток поступают на вход самописца «ЭНДИМ». Таким образом, на бумаге прописывается спектр. Типичный спектр, прописанный на самописце, и изображен на рисунке 2.

>«3 еж № 9 £ з а 1 ! і ! £ . 5. 1 і

І

і <э

Рис. 2. Пример участка спектра, прописанный при помощи самописца «ЭНДИМ», с расшифрованными элементами

В результате качественного атомно-эмиссионного спектрального анализа, были получены следующие элементы: А1, Са, Со, Сг, Си, Ее, Л, М§, Мп, Мо, ЫЬ, №, Р, РЬ, Б, Бп, Т1, V, 7,п, Ъг. Нахождение этих элементов позволяет сказать, что при помощи собранной установки можно различать вышеуказанные элементы. Для исследования концентраций использовалось только пять элементов. По этим элементам проводилась калибровка и строились калибровочные зависимости концентраций.

В таблице представлены концентрации, полученные за 2002-2004 гг. Забор проб проводился 28 числа каждого месяца. Чтобы проследить динамику изменения концентраций элементов за зимний период (ноябрь-март) 2004 г., были построены графики изменения элементов для точек, которые расположены в экспериментальном микрорайоне города. Построенные графики показывают динамику концентрации определенных элементов в точке забора. Для примера на рисунках 3 и 4 представлены результаты динамики концентраций отдельных элементов в пробах №1,2 исследуемого района Барнаула.

Таблица

Концентрация С<3, Ее, Со, Си, РЬ в пробах

С«1 Рс Со Си ГЬ

Демидове*»* и.мшиль ид ЮЗ О.ООЗО одмОоы

0.0152 0.004600 0,0017

ХБК. пр Космошнпоп 0.005 0.065 0.000071 0.002

0,039 0.000080

Матросова 0.063 0.000042 0.005 о.ооз

0.016 0.000180 0.032

ГкГТТНЙСКПЯ 0.0035 0.0710 0.000950 0ДЮ2

0.0055 о.ооочоо

Старый оа'іар 0.01.10 0.000036

0.0041 0.000410 0.0019

Солнечная ПОЛЯНА О.ООІЗ 0,085 (10016

0.086 0.0024 0.0014

| 1 — комцеиірацлл и 200.-200* II.

ДО — кпиисн ірпшія и 200Д-2П04 и .

В ходе проведенных измерений количественного анализа полученные данные были сравнены с ПДК, и значительного превышения ПДК по концентрациям исследуемых элементов обнаружено не было.