Экспресс-обнаружение соединений урана и аварийно химически опасных веществ на поверхностях различных объектов

УДК 662.1.4

Экспресс-обнаружение соединений урана и аварийно химически опасных веществ на поверхностях различных объектов

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2014

В.А. Пашинин, П.Н. Косырев, Н.Н. Посохов, А.А. Сёмин

Аннотация

В статье рассматриваются свойства опасных химических веществ, таких как соединения урана, компоненты ракетных топлив (азотная кислота, несимметричный диметилгидразин), окислители (хлор, бром, серная и азотная кислоты, пероксид водорода).

Обсуждаются способы экспресс-обнаружения следов данных веществ на поверхностях различных объектов, снижения риска и повышения надежности работы оборудования потенциально опасных объектов и объектов жизнеобеспечения, объектов транспортной инфраструктуры, технологического оборудования, населения и технического персонала.

Ключевые слова: аэрозольное устройство; потенциально опасные объекты и объекты жизнеобеспечения; технологическое оборудование; население; серная кислота; азотная кислота; снижение риска; экспресс-обнаружение.

Rapid Detection on Surfaces of Different Objects of Uranium Compounds and Abnormally Chemically Dangerous Substances

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2014

V. Pashinin, P. Kosyrev, N. Posohov, A. Semin

Abstract

The article deals with the properties of hazardous chemical substances such as uranium compounds, components of rocket propellants (nitric acid, unsymmetrical dimethylhydrazine), oxidizers (chlorine, bromine, sulfuric and nitric acid, hydrogen peroxide).

Discuss how to express data trace detection of substances on surfaces, reduce risk and improve the reliability of equipment operation of potentially dangerous objects and of vital facilities, transport infrastructure, process equipment, and technical staff.

Key words: aerosol device; potentially dangerous and life-support equipment; people; sulfuric acid; nitric acid; reduced risk; rapid detection.

В настоящее время в России производятся и практически используются десятки тысяч тонн различных аварийно химически опасных веществ.

Например, основные проблемы, возникающие в процессе оборота окисляющих веществ, таких как хлор, бром, серная и азотная кислоты, пероксид водорода, вызваны их высокой коррозионной активностью, способностью к воспламенению и детонации горючих материалов и взрывчатых веществ, токсичностью по отношению к человеку и объектам окружающей среды [1, 2].

Все рассматриваемые продукты окислительного характера можно отнести к 5 классу опасных грузов — «Окисляющие вещества и органические перекиси». По своим смежным свойствам отдельные вещества могут быть отнесены и ко 2, 7 и 8 классам. Это означает, что при их производстве, хранении, транспортировании и применении необходимо соблюдение особых мер безопасности и использование в технологических процессах аппаратов, изготовленных из устойчивых к агрессивному воздействию материалов [3—5].

Важно отметить, что многие окислители, особенно такие как пероксид водорода, серная и азотная кислоты, способны при определенных условиях поддерживать горение органических и неорганических веществ.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) используется в качестве компонента ракетного топлива, является активным восстановителем, при взаимодействии с окислителями выделяется большое количество энергии, что может носить взрывной характер.

Для заправки одной ракеты средней дальности, использующей жидкое ракетное топливо, необходимо около 60 тонн окислителя и примерно такое же количество НДМГ.

Участившиеся в последние годы случаи неудачных запусков ракет приводят к значительным загрязнениям окружающей среды. Так во время последней аварии ракеты Протон в 2013 г., которая должна была вывести на орбиту пять спутников системы Глонасс в Казахстане, в атмосферу попало около 50 тонн НДМГ.

НДМГ является довольно высокотоксичным химическим соединением. В почве НДМГ может сохраняться довольно длительное время. Продукты его трансформации также являются токсичными соединениями. Так имели место случаи гибели отдельных рыбаков вблизи Плесецкого полигона от использования загрязненной воды и рыбы в местах падения отделяемых ступеней ракет. Поэтому своевременное обнаружение утечек, проливов компонентов ракетного топлива является весьма актуальной задачей.

В свою очередь, обедненный уран и его соединения, являющиеся компонентами отработанного ядерного топлива, образующегося при работе атомных электростанций в качестве твердых и жидких

радиоактивных отходов, являются довольно сильными ядами и могут вызвать отравление организма.

Последствия использования обедненного урана в артиллерийских боеприпасах, которые применялись войсками стран НАТО в Югославии и Ираке, еще до конца не установлены. Поэтому актуальной задачей является обнаружение наряду с высокорадиоактивным ураном также и урана с относительно низкой радиоактивностью.

Все указанные выше группы опасных веществ в массовом количестве перевозятся железнодорожным транспортом.

В последнее десятилетие государство и крупные производители все больше внимания обращают на возрождение и развитие новых транспортных систем. Железные дороги, соединяющие воедино всю страну, предоставляют огромные возможности как для доставки отечественных, так и для транзита через территорию России иностранных грузов по трансконтинентальным транспортным коридорам. Вместе с проведением модернизации и при строительстве новых магистралей Министерство транспорта Российской Федерации обращает особое внимание на обеспечение транспортной безопасности перевозочного процесса, так как с ростом грузонапряженности закономерно увеличивается количество нештатных ситуаций, а рост числа преступлений с применением взрывных устройств (ВУ) только усугубляет проблему, и все это представляет серьезную угрозу общественной безопасности [5].

Кроме того, в последние годы в Российской Федерации нарастает всеобщая озабоченность к проблемам нераспространения оружия массового поражения (ОМП). Также нельзя исключать угрозу террористических актов с применением ОМП на крупных объектах типа железнодорожных вокзалов, станциях метрополитена и др.

В настоящее время нельзя полностью исключить возможность использования террористами отравляющих веществ, в том числе и веществ, обладающих низкой летучестью. Об этом свидетельствуют случаи отравления банкира Кивелиди веществом подобного типа в России, применение вещества типа зарин в Токийском метро в 1996 г. и в Сирии в августе 2013 г.

Таким образом, проблемы обеспечения безопасности людей при авариях на химически и радиацион-но опасных объектах, в ходе возможных террористических актов с применением опасных химических веществ сохраняют свою актуальность.

Решение этих проблем требует системного и комплексного подхода, принятия мер политического, правового, социального, организационного, научно-технического, технологического и экономического характера.

Одним из мероприятий (способов), способствующих снижению риска проявления опасностей, является своевременное выявление нарушений в техно-

логии перевозки опасных грузов, неисправностей в техническом состоянии подвижного состава и состоянии потенциально опасных объектов, примыкающих к транспортной инфраструктуре.

Другая немаловажная задача связана с определением масштабов загрязнения окружающей среды от эмиссии загрязняющих природную среду токсичных органических и неорганических соединений с подвижного состава, железнодорожного полотна и от аварий и чрезвычайных ситуаций (ЧС), сопровождающихся выбросами опасных и загрязняющих веществ в окружающую среду, а также степени загрязненности отдельных участков территорий до и после проведения специальной обработки.

В настоящее время для мониторинга состояния окружающей среды и расследования причин аварийных ситуаций на потенциально опасных объектах, предприятиях и железных дорогах существуют громоздкие химические лабораторные комплексы, оснащенные высокоточным аналитическим оборудованием. Однако такие лаборатории не позволяют выдавать оперативную информацию, необходимую для безотлагательного реагирования и предотвращения тяжелых последствий для населения, окружающей среды, самого обслуживающего персонала, и главное не дают возможности быстро обнаружить потенциальную причину аварии.

Имеющиеся методы обнаружения опасных веществ реализованы как правило в сложных и дорогостоящих приборах, требуют обученного персонала, а также предусматривают процедуру отбора и доставки проб, что затрудняет быстрое получение информации о типе вещества. Широкий круг опасных веществ, потенциально пригодных для незаконного применения, создает дополнительные трудности для их выявления.

Исходя из этого, становится очевидным, что проблема создания системы универсальных, простых и дешевых технических средств обнаружения опасных веществ является весьма важной, так как это во многом определяет поддержание безопасности страны на должном уровне, в том числе и в рамках создания комплексной системы обеспечения безопасности населения на транспорте в соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 31 марта 2010 г. № 403 «О создании комплексной системы обеспечения безопасности населения на транспорте».

Все вышесказанное, а также необходимость снижения ущерба в случаях ЧС и обеспечения безопасности населения и территорий в зонах чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах и объектах жизнеобеспечения, объектах транспортной инфраструктуры и транспортных средствах определяет актуальность проводимых нами исследований.

Цель проведенных исследований заключалась в формировании научных основ и новых принципов, способов и средств предотвращения поражения лю-

дей от различных поражающих факторов — источников ЧС, обеспечивающих создание аналитической системы оперативного выявления опасных веществ, удовлетворяющей требованиям к ее назначению, условиям применения и технико-экономическим характеристикам.

В ходе достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

обоснован минимальный состав аналитической системы оперативного выявления опасных веществ;

проанализирован современный уровень развития технических средств экспресс-обнаружения радиоактивных веществ, токсичных химикатов, биологических средств и взрывчатых веществ;

сформулированы требования к средствам экспресс-обнаружения опасных веществ;

предложены экспресс-методы, пригодные для обнаружения опасных веществ на поверхности анализируемого объекта;

исследованы процессы на границе разделов фаз в условиях нестационарного массопереноса при реализации аэрозольно-капельного метода обнаружения опасных веществ на поверхностях объектов;

исследованы химические методы, пригодные для обнаружения опасных веществ аэрозольно-капель-ным методом;

разработаны аэрозольные устройства для реализации аэрозольно-капельного метода, обладающие требуемыми основными характеристиками.

Аэрозольные устройства выполнены в виде универсальных аэрозольных упаковок, заправленных индикаторными рецептурами, и обеспечивают визуализацию наличия жидких и твердых продуктов, содержащих химически опасные вещества на различных поверхностях.

Упаковка отличается простотой и многократностью использования, возможностью контроля одной упаковкой больших, в том числе и труднодоступных анализируемых площадей. Для обнаружения не требуется непосредственного контакта оператора с пробой.

Порядок обнаружения:

аэрозольную упаковку направляют в сторону анализируемой поверхности и на расстоянии около 0,2—0,3 м от нее производят кратковременное распыление индикаторной рецептуры;

визуально наблюдают изменение окраски индикаторной рецептуры на всей площади распыления.

В местах наличия жидких и твердых продуктов, содержащих опасные вещества, появляются окрашенные пятна в соответствии с эталоном.

Основные характеристики аэрозольного устройства:

время обнаружения не более 1 минуты; кратность использования с одной зарядкой около 150 раз;

масса упаковки около 200 г;

гарантийный срок хранения 2 года; интервал рабочих температур 0 ^ 50 оС. Конструкция аэрозольного устройства и насоса-распылителя показаны на рис. 1, 2.

1 — насос-распылитель, 2 — корпус. Рис. 1. Аэрозольное устройство

I — колпачок, 2 — кнопка, 3 — корпус насоса-распылителя, 4 — прокладка, 5 — поршень, 6 — корпус запорного устройства, 7 — шарик запирающий, 8 — основание запорного устройства, 9 — пружина, 10 — корпус клапана,

II — трубка заборная.

Рис. 2. Насос-распылитель

В ходе работы была проведена оценка перспективности разработанной аналитической системы оперативного выявления опасных веществ, показаны

преимущества перед другими средствами экспресс-обнаружения опасных веществ.

Практическую ценность проведенных исследований составляют достигнутые при разработке технических устройств результаты, в том числе:

совокупность разработанных технических средств и их технические характеристики, обеспечивающие наименьшую стоимость получения аналитической информации при чувствительности и быстродействии обнаружения, удовлетворяющих предъявленным требованиям;

аттестованная методика выполнения измерений урансодержащих соединений с использованием комплекта аэрозольных устройств;

запатентованная и внедренная в промышленное производство конструкция аэрозольного устройства, имеющая более высокие, в сравнении с имеющимися, эксплуатационные показатели:

оптимальные массогабаритные характеристики аэрозольных устройств;

малый удельный расход индикаторной рецептуры;

наглядность индикационного эффекта за счет оптимальной однородности факела аэрозоля.

Опытные партии ряда аэрозольных устройств переданы в опытную эксплуатацию для нужд различных ведомств. Общий вид комплекта для экспресс-обнаружения урансодержащих соединений приведен на рис. 3.

В ходе опытной эксплуатации подтверждена эффективность использования данного изделия.

Рис. 3. Общий вид комплекта для экспресс-обнаружения урансодержащих соединений

Пример индикационного эффекта от урансодержащих соединений приведен на рис. 4.

Таким образом, предлагаемая аналитическая система оперативного выявления опасных веществ позволяет обеспечить быстрое выявление больших площадей загрязненных опасными химическими веществами поверхностей различных объектов без не-

а) до обработки индикаторной рецептурой; б) после обработки индикаторной рецептурой.

Рис 4. Индикационный эффект от урансодержащих соединений

посредственного контакта оператора с исследуемой поверхностью.

Существующие средства обнаружения паров указанных выше веществ с помощью индикаторных трубок не всегда обеспечивают требуемый порог чувствительности по токсичным веществам с низкой летучестью.

Применяемые для этих целей в различных лабораториях индикаторные бумажки и билеты не обеспечивают обнаружение токсичных веществ, впитавшихся в лакокрасочные покрытия на уровне критериальных значений зараженности и требуют непосредственного контакта оператора с исследуемой поверхностью. Кроме того, они позволяют контролировать зараженность поверхностей объектов только непосредственно в месте их контакта с обследуемой поверхностью.

В военно-морском флоте подобное аэрозольное устройство используется для контроля полноты дегазации поверхностей корабля в случае применения отравляющего вещества типа Ви-икс. При этом обработка поверхностей корабля проводится струей забортной морской воды.

В настоящее время нами разработано два образца комплектов аэрозольных устройств. Первый образец включает в себя четыре аэрозольных устройства для обнаружения основных групп опасных химических веществ: окислителей, аммиака и НДМГ, веществ кислого характера и веществ щелочного характера.

Второй образец предназначен для обнаружения соединений урана.

Разработан также комплект имитационных средств для проверки годности аэрозольных устройств и обучения операторов правилам работы с аэрозольными устройствами.

Исходя из вышеизложенного, разработка и применение комплектов аэрозольных устройств для экспресс-обнаружения зараженности больших площадей различных поверхностей несомненно представляет большой практический интерес.

Литература

брома, йода, аминов, фтористого водорода, фреонов и фтор-полимеров. М.: Недра, 1973.

3. Вредные вещества в промышленности: Справ. для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7-е, пер. и доп. В 3 т. // Т. III. Неорганические и элементорганические соединения / Под ред. засл. деят. науки проф. Н.В. Лазарева и д. б. н. проф. И.Д. Гадас-киной. Л.: Химия, 1977.

4. Специализированные цистерны для перевозки опасных грузов: Справ. пособ. М.: Издательство стандартов, 1993.

5. Пассивность и коррозия металлов. Л.: Химия, 1971.

6. Купаев В.И., Леонтьева Л.Д. Химическая безопасность на железнодорожном транспорте: Моногр. М.: МИИТ, 2009.

Сведения об авторах

Пашинин Валерий Алексеевич: д. т. н., проф., ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения», проф. кафедры. 124992, Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9. E-mail: pashininmiit@yandex.ru

Посохов Николай Николаевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),

зам. нач. науч.-исслед. центра.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

Тел.: (499) 233-25-68.

E-mail: рс^окЬюу@упИдосЬ^.ги

SPIN-код — 3220-2654.

Косырев Павел Николаевич: к. т. н., с. н. с., ФГБУ ВНИИ

ГОЧС (ФЦ), вед. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

Тел.: (499) 449-90-42.

E-mail: kosyrevp@mail.ru

Сёмин Алексей Алексеевич, к. т. н., Минобрнауки РФ,

нач. отд. нанотехн. и новых мат-лов.

125009, Москва, ул. Тверская, 11.

Тел.: (495) 629-57-25.

E-mail: aleksey_semin@list.ru

Information about authors

Pashinin Valery A.: doctor of technical sciences, professor, Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Moscow State University of Railway Transport", professor of the department. 124992, Moscow, str. Obraztsova, 9, p. 9. E-mail: pashininmiit@yandex.ru

Posohov Nikolai N.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), deputy head of the research center. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 233-25-68. E-mail: posokhov@vniigochs.ru SPIN-scientific — 3220-2654.

Kosyrev Pavel N.: candidate of technical sciences, senior researcher, Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), leading researcher.

121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 449-90-42. E-mail: kosyrevp@mail.ru

Semin Alexey A.: candidate of technical sciences, Ministry of Education and Science of the Russian Federation, chief of department of nanotechnology and new materials. 125009, Moscow, str. Tverskaya, 11. Tel.: (495) 629-57-25. E-mail: aleksey_semin@list.ru

1. Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора (ПБ 09-594-03). Серия 09. Вып. 5 / Колл. авт. М.: ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003.

2. Правила безопасности для производств перекиси водорода,