СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРЕСНОВОДНОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF IDENTIFYING AND CLASSIFYING POLLUTION OF FRESHWATER ENVIRONMENT AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретения относятся к методам контроля загрязнения окружающей среды, предназначены для обнаружения и классификации типа загрязнения пресноводной среды. Могут быть использованы при экологическом мониторинге, в системах приготовления водных растворов и в технологических процессах с их участием.
Известен способ интегральной экспресс-оценки загрязнения окружающей среды [Патент РФ 2359036, 2009], включающий инкубацию водорастворимых поллютантов с биологической тест-системой и количественную их оценку по вызываемому ими 50%-ному снижению величины максимальной люминолзависимой хемилюминесценции по сравнению с контролем, причем в качестве тест-системы используют комплексный полиферментный препарат из корня хрена, обладающий оксидазно-пероксидазной активностью, в комбинации с сульфгидрильным реагентом, который берут в конечной концентрации не менее 0,1 мкг/мл и не более 100 мкг/мл.
Для реализации этого способа требуется квалифицированный персонал, а применение специфичных расходных материалов затрудняет непрерывный одновременный контроль водного объекта в нескольких точках.
Известен способ определения техногенного загрязнения почв и донных осадков металлами [Патент РФ 2110068, 2009], включающий измерение магнитной восприимчивости почв и донных осадков на фоновом и исследуемом участках, оценку степени загрязнения по соотношениям
- умеренное загрязнение,
- сильное загрязнение,
изм
фон
где χ - магнитная восприимчивость на исследуемом участке; χ - магнитная восприимчивость на фоновом участке. Однако этот способ способен выявлять только ферромагнитные вещества и нечувствителен к диа- и парамагнитным материалам, в том числе органическим веществам, солям, кислотам, щелочам.
2
Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство [Патент СССР 1837217, 1990] и соответствующий ему способ контроля загрязнений пресноводной среды, включающий измерение температуры, рН; окислительно-восстановительного потенциала Redox; электропроводности; среднего уровня радиоактивности; содержания ионов (Ni, Cr, Cu и др.), кислорода О, классификацию загрязнений по трем группам («тяжелые металлы», «соли, кислоты, щелочи», «органика») на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему.
Однако такой способ не позволяет определять виды органических веществ, а соответствующее устройство требует регулярной (1-10 раз в месяц) замены чувствительных элементов датчиков, что снижает эксплуатационную надежность, экономичность и затрудняет непрерывный контроль за состоянием пресноводной среды.
Задачей изобретений является повышение информативности обнаружения загрязнений пресноводной среды за счет классификации видов органических веществ, а также повышение надежности и экономичности соответствующего устройства за счет замены ряда датчиков контролируемых характеристик пресноводной среды.
x
0
0
0
фон
Поставленная задача достигается тем, что в способе обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, включающем измерение температуры, классификацию загрязнений по группам на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему, независимо измеряют составляющие , σ комплексной диэлектрической проницаемости среды, судят о факте загрязнения пресноводной среды по отклонениям приведенных к температуре Т значений ε'(Т) и σ(Т) от фоновых , σ, проводят классификацию загрязнения пресноводной среды по следующим соотношениям:
фон
σ>σ - электролиты,
фон
при σ≈σ - неполярные и слабополярные органические соединения,
фон
при σ≈σ - полярные органические соединения,
частотная дисперсия ε', σ - суспензии, пленки, коллоиды.
0
0
0
0
фон
Другое отличие состоит в том, что снимают типовые температурные диэлектрические характеристики контролируемой пресноводной среды ε'(T) и σ(T), усреднением приведенных к температуре Т значений ε'(Т) и σ(Т) за превышающий единичное измерение Δt промежуток времени Δt определяют фоновые характеристики , σ.
0
0
4
8
Третье отличие заключается в том, что в качестве температуры Т используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени Δt определяют как (10…10)·Δt.
фон,
фон
Для реализации способа в устройство для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, содержащее датчики температуры t°С и удельной проводимости σ, блок отбора проб и передатчик, дополнительно введены датчик вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ε', блоки задания фоновых значений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости , σ блок анализа, причем выходы датчиков t°С, σ, ε', , σ подключены ко входам блока анализа, первый выход которого подключен ко входу передатчика, а второй выход - ко входу блока отбора проб.
Способ обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды и устройство для его осуществления поясняются фигурами 1-5.
фон
На фигуре 1 приведена функциональная схема устройства для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды. Она содержит датчики: вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ε' 1, удельной проводимости σ 2, блоки задания фоновых значений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости  3, σ 4, датчик температуры t°С 5, подключенные ко входам блока анализа 6, первый выход которого подключен ко входу передатчика 7, а второй выход - ко входу блока отбора проб 8.
2
5
2
5
2
На фигурах 2…4 приведены концентрационные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости ε', σ для водных растворов соли NaCl, этилового спирта СНОН, аминоуксусной кислоты (глицина) CHNO.
На фигуре 5 приведены частотные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости для водных эмульсий трансформаторного масла.
Воздействие загрязнения на диэлектрическую проницаемость ε' и удельную проводимость σ природной пресноводной среды может быть отнесено к одной из четырех групп:
1. Электролиты (соли, кислоты, основания) изменяют концентрацию ионов в воде, что на частотах ниже 100 МГц приводит к возрастанию удельной проводимости σ среды.
2. Неполярные и слабополярные растворители снижают диэлектрическую проницаемость ε', мало влияя на удельную проводимость σ вплоть до оптических частот.
3. Полярные диэлектрики увеличивают диэлектрическую проницаемость. При этом изменения удельной проводимости и диэлектрической проницаемости могут быть разнородными уже на звуковых частотах, что позволяет по данным низкочастотной диэлектрической спектроскопии определять класс загрязнения.
4. Нерастворимые и слаборастворимые вещества приводят в основном к образованию пленок и эмульсий, имеющих четко выраженные дисперсионные области частотных диэлектрических характеристик.
фон
Классификацию загрязнения проводят сравнением приведенных диэлектрических характеристик контролируемой пресноводной среды с фоновыми, непрерывно флуктуирующими в некоторых диапазонах σ,  по естественным причинам (изменение климатических условий, процессы в живой природе) по следующим соотношениям:
фон
σ>σ - электролиты (соли),
фон
при σ≈σ - неполярные и слабополярные загрязнения (щелочи, органические вещества (спирты)),
- полярные загрязнения (кислоты, органические вещества (аминокислоты), соединения водорода),
фон
дисперсия ε', σ , σ(f)≠σ(f) - нерастворимые и слаборастворимые загрязнения (нефтепродукты, тяжелые металлы) (f - рабочая частота).
0
0
0
0
0
фон.
Для приведения значений ε', σ к температуре Т предварительно снимают типовые температурные зависимости диэлектрических характеристик контролируемого объекта, и усреднением приведенных к температуре Т значений ε'(Т) и σ(Т) за превышающий единичное измерение Δt промежуток времени Δt определяют фоновые характеристики , σ
0
0
4
8
Кроме того, при организации круглогодичного непрерывного экологического мониторинга в качестве температуры Т используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени Δt определяют как (10…10)·Δt.
0
фон
Устройство работает следующим образом: при появлении в пресноводной среде загрязняющего вещества диэлектрические характеристики последней вызывают изменения показаний датчиков ε' 1 и σ 2. Используя показания датчика температуры t°С 5, блок анализа 6 приводит значения показаний датчиков 1 и 2 к температуре Т, и сравнивает их с фоновыми значениями, получаемыми с блоков  3, σ 4. Затем информация о состоянии пресноводной среды с блока анализа 6 поступает на передатчик 7, который отправляет ее на единую приемную систему. В случае обнаружения загрязнения по управляющему сигналу с блока анализа 6 включается блок отбора проб 8.
Ниже приведены примеры применения способа и реализующего его устройства в лабораторных условиях.
фон
0
фон
2
5
2
5
2
0
0
фон
-4
Пример 1. В течение месяца измеряли типовые температурные диэлектрические характеристики водных образцов и определили области фоновых значений ; σ=(0,9…1,1)·10 См/см при температуре Т=23°С. В качестве датчиков σ, ε', , σ использовался разработанный авторами измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников, работающий на частоте 8 МГц [Патент РФ 2314544]. Затем повторно отбирали пробу, вносили загрязняющие вещества: соль NaCl, этиловый спирт СНОН, аминоуксусную кислоту (глицин) CHNO и определяли диэлектрические характеристики, приведенные к температуре Т. На фиг.2-4 приведены концентрационные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости для водных растворов указанных веществ при температуре Т. Значения ε', σ вне областей , σ позволяют судить о введении загрязняющих веществ трех типов (электролиты, неполярные и полярные вещества). По графику, фиг.2, возможно зафиксировать превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) для хлоридов.
6
7
0
Пример 2. Снимали частотные зависимости вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ε'(f) дистиллированной воды в диапазоне частот f=10…10 Гц при температуре Т=23°С до и после внесения в образец загрязняющего вещества - трансформаторного масла, фигура 5. В качестве датчиков σ, ε' использовался разработанный авторами широкополосный характериограф составляющих адмитанса. Возникновение коллоидной системы «вода-масло» приводит к появлению области частотной дисперсии ε'.
2
С помощью предлагаемого способа и устройства повышается информативность обнаружения и классификации загрязнений пресноводной среды за счет выделения в общем классе органических веществ подклассов спиртов, аминокислот и нефтепродуктов и классификации загрязнений по характеру воздействия на составляющие ε', σ, а также в повышении эксплуатационной надежности и экономичности устройства за счет замены дорогостоящих, требующих частой замены (1-10 раз в месяц) селективных датчиков ионов Ni, Cr, Cu и др., кислорода О, радиоактивности, рН, Redox на недорогие, более долговечные (замена 1-2 раза в 10 лет при условии периодической очистки) емкостные преобразователи составляющих комплексной диэлектрической проницаемости ε', σ.