Аналитическая химия в экологическом мониторинге

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ОБУЧЕНИЯ

УДК 572.1/4; 574.5

Д.В. Бутаков, Н.Г. Залозная АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ

Основой экологического мониторинга является совокупность различных химических наук. Цель аналитической химии - определение концентрации загрязняющих веществ в различных природных объектах. Важная роль принадлежит современным инструментальным методам химического анализа. Применение данных методов позволяет достигнуть необходимых низких пределов обнаружения, высоких чувствительности и избирательности определений.

Ключевые слова: химический анализ, чувствительность, избирательность, экология.

D. Butakov, N. Zaloznaya ANALYTICAL CHEMISTRY IN ECOLOGICAL MONITORING

Ecological monitoring base is a complex of various chemistry sciences. The purpose of analytical chemistry is to definite concentration of polluting substances in various natural objects. The most important role belongs to the modern methods of the chemical analysis. Application of the given methods makes it possible to reach necessary low limits detection, high-sensitivity and selectivity definitions.

Keywords: chemical analysis, sensitivity, selectivity, ecology.

Экологический мониторинг, загрязнение окружающей среды, экологическая химия - часто встречающиеся слова и сочетания, выражающие всеобщую озабоченность состоянием природной среды. Первопричина возникновения проблемы - обнаружение в экологических системах антропогенных изменений, вызванных токсическими веществами. Это предопределяет сложность и необходимость учёта различных природных и химических факторов при контроле качества окружающей среды методами современной аналитической химии. Для оценки степени негативных изменений осуществляют экологический мониторинг - систему наблюдений и контроля за изменениями в составе и функциях различных экологических систем [1].

Экологический мониторинг - это серьёзная и сложная проблема. Уровни его организации различны (рис. 1).

Рис. 1. Система наземного мониторинга окружающей среды

Контроль состояния окружающей среды включает исследование таких природных ресурсов, как разнообразные воды, атмосферный воздух, почвы, совокупность этих систем с точки зрения определения в них загрязняющих химических веществ, нарушающих сложившееся экологическое равновесие в природе. Здесь чётко просматривается химическая сущность обсуждаемой проблемы: с

74 -

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2010'2

этой точки зрения можно говорить и о химическом мониторинге. Без химического анализа здесь не обойтись. Поэтому в экологическом мониторинге активно используют различные химические, физико-химические, физические и биологические методы анализа. Речь идёт о неком глобальном химико-аналитическом исследовании с помощью различных методов аналитической химии - науки о методах анализа [2].

Результаты аналитических определений и измерений рассматривают уже в рамках экологического мониторинга. Это даёт информацию о загрязнении биосферы различными несвойственными природе загрязняющими веществами. Данные экологического мониторинга используют для всестороннего анализа состояния окружающей среды и определения стратегии управления им, для регулирования её качества, для определения допустимых экологических нагрузок на природные системы [3].

Таким образом, основой экологического мониторинга является совокупность методов и средств химического анализа окружающей среды, поскольку химическое загрязнение - основной фактор неблагоприятного антропогенного воздействия на природу. Цель аналитической химии - определение концентрации загрязняющих веществ в различных природных объектах.

Регулирование качества природной среды основано на определении экологически допустимого воздействия на неё, когда самоочищение природы ещё способно работать. Определёнными нормами такого воздействия являются установленные предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ (ПДК), не вызывающие нежелательных последствий в природной среде [4]. Значения ПДК достаточно малы. Они установлены для различных объектов: воды (питьевая вода, вода водоёмов рыбохозяйственного значения, сточные воды); воздуха (среднесуточная концентрация, воздух рабочей зоны, максимально допустимая разовая ПДК); почв.

Перечень и количество выбрасываемых в окружающую среду загрязняющих веществ чрезвычайно велики, по некоторым оценкам, до 400 тыс. наименований, включая радионуклиды. Прежде всего, наблюдению должны подлежать вещества, выброс которых носит массовый характер, и следовательно, загрязнение ими повсеместно. Это, например, диоксид серы, монооксид углерода, пыль, что характерно для городского воздуха; нефтепродукты, поверхностно-активные вещества для природных вод; пестициды для почв. Обязательно следует контролировать и самые токсичные вещества, отличающиеся наиболее низкими ПДК. Это позволяет сформировать список приоритетных загрязняющих веществ, которые следует определять в первую очередь.

Например, большинство нормируемых загрязняющих веществ для воздуха имеют ПДК в пределах 0,005 - 0,1 мг/м3. В них попадают пентаоксид ванадия, неорганические соединения мышьяка (исключая мышьяковистый водород), шестивалентный хром, некоторые органические вещества: ацетофенон,стирол и др.

Для небольшого перечня веществ ПДК ещё меньше: металлическая ртуть 0,0003 мг/м3, свинец и его соединения 0,0007, карбонилникель 0,0005, бенз[а]пирен 0,000 001 мг/м3. Основное количество нормируемых загрязняющих веществ для воды водоёмов имеют ПДК 0,1 - 1 мг/л.

Для многих токсичных веществ установлена ПДК 0,001 - 0,003 мг/л. Это неорганические соединения селена, ртути, органические соединения - изомерные дихлорбензолы, тиофос. Небольшое число веществ - соединения бериллия, диэтилртуть, тетраэтилолово имеют ПДК в пределах 0,0001 -0,0002 мг/л. Для особенно опасных токсичных веществ, таких как растворимые соли сероводородной кислоты, активный хлор, бенз[а]пирен, ^нитрозоамины, диоксины (например, чрезвычайно токсичный 2-, 3-, 7-, 8-тетрахлордибензо-4-диоксин), в качестве норматива установлено полное отсутствие их в воде [4].

Из вышеизложенного следует: для оценки опасности загрязнения следует иметь некий образец для сравнения. Второе: необходимо применять мощные, информативные и чувствительные методы анализа, чтобы контролировать концентрации, меньше ПДК. Охрана окружающей среды - одна из задач аналитической химии.

Для проведения экологического мониторинга широко применяют высокоэффективные методы контроля состояния окружающей среды. Принципиально важно, чтобы предел обнаружения загрязняющих веществ аналитическими методами был не ниже 0,5 ПДК.

Учитывая важность этой проблемы кафедрой химии и материаловедения Академии гражданской защиты МЧС России создана экспериментальная база для решения задач экологического мониторинга на основе комплекса приборов и методик химико-аналитических исследований.

Множество протекающих в природной среде химических, биохимических и биогеохимических процессов предопределяет чрезвычайную сложность химико-аналитических исследований. Это необходимо учитывать при анализе жидких сред: растворов (они могут быть истинными, коллоид-

ными, насыщенными), суспензий, эмульсий, летучих и нелетучих твёрдых веществ, газов; при определении различных неорганических и органических веществ, исследовании живого вещества.

Принципиально важны пробоотбор, сохранение и консервация проб и пробоподготовка, необходимая для переведения всех компонентов пробы в форму, удобную для проведения анализа. Для этого используют все способы, применяемые в химическом анализе: измельчение твёрдых образцов, растворение, обработку различными химическими реактивами, нагревание; один из наиболее современных приёмов - микроволновое и ультразвуковое облучение для полного извлечения определяемых компонентов.

Ввиду недостаточной чувствительности некоторых инструментальных методов при определении следов вещества применяют различные способы аналитического концентрирования: экстракцию органическими растворителями, не смешивающимися с водой, сорбционное концентрирование, дистилляцию, соосаждение, использование криогенных ловушек. Например, органические загрязнители, как правило, присутствуют в питьевой воде в очень малых количествах порядка ppb (part per billion - часть на миллиард, 0,000 001 мг/л). Для выполнения определений их необходимо сконцентрировать.

Летучие органические вещества извлекают из вод потоком инертного газа и улавливают твёрдыми адсорбентами. Далее нагреванием осуществляют их термическую десорбцию и переносят сконцентрированные компоненты из ловушки в газовый хроматограф. Нелетучие органические вещества экстрагируют органическими растворителями. Экстракты анализируют методами высокоэффективной жидкостной хроматографии. Экстракцию веществами, находящимися в сверхкритическом состоянии (например, диоксидом углерода), упрощающую приготовление концентрата, используют при извлечении полициклических ароматических и гетероциклических углеводородов, пестицидов, полихлорированных бифенилов, диоксинов из твёрдых образцов, например почв [3].

Многокомпонентность объектов окружающей среды предопределяет большие сложности в качественном обнаружении и количественном определении загрязняющих веществ. Ключевая роль принадлежит современным инструментальным методам аналитической химии, среди которых спектроскопические, электрохимические, хроматографические и др., позволяющие достичь необходимых низких пределов обнаружения, высоких чувствительности и избирательности определений. Результат измерения, несущий химико-аналитическую информацию, называют аналитическим сигналом.

Как известно, спектроскопические методы анализа основаны на использовании взаимодействия атомов или молекул определяемых веществ с электромагнитным излучением широкого диапазона энергий. Это могут быть (в порядке уменьшения энергии) гамма-кванты, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое и видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволновое излучение. Сигналом может быть испускание или поглощение излучения. Одними из важнейших для экологического мониторинга являются атомно-абсорбционный анализ, спектрофотометрический и флуориметри-ческий методы, которые представлены различными типами приборов.

Рис. 1 Atomic Absorption Spectrophotometer HITACHI A-1800

Атомно-абсорбционный спектрометр предназначен для проведения количественного элементного анализа (до 70 элементов) по атомным спектрам поглощения, в первую очередь для определения содержания металлов в растворах их солей, в природных и сточных водах, в технологических и прочих растворах. Основные области применения атомно-абсорбционных спектрометров -

контроль объектов окружающей среды (воды, воздуха, почв), а также медицина, химическая промышленность и научные исследования.

Принцип действия атомно-абсорбционного спектрометра основан на измерении величины поглощения луча света, проходящего через пар атомов вещества исследуемой пробы. Для превращения исследуемого вещества в атомный пар используется атомизатор. В качестве источника света используются различные узкополосные источники света. После прохождения через атомные пары исследуемой пробы луч света поступает на монохроматор, а затем на приёмник, который и регистрирует интенсивность излучения.

Рис. 2. Колориметр фотоэлектрический концентрационный

Фотометр КФК-3-01 фотоэлектрический - прибор для определения интенсивности светового потока различных длин волн, прошедшего через анализируемую пробу. Данный прибор предназначен для выполнения химических анализов растворов и обеспечивает:

измерение скорости изменения оптической плотности вещества и определения концентрации вещества в растворах;

определение содержания веществ (меди, железа, хлора, серебра и др.) в различных растворах; измерение коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных растворов; определение содержания в химических растворах щелочей, фосфатов и др.; измерение коэффициента пропускания рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете.

КФК-3-01 имеет цифровой интерфейс для связи с персональным компьютером. Данный прибор также реализует диалог с оператором и производит расшифровку ошибок с отображением их на жидкостно-кристаллическом индикаторе.

Рис. 3. Флуориметр ОСЕ-2

Анализатор жидких проб ОСЕ-2 предназначен для измерения интенсивности флуоресценции при аналитических измерениях. Принцип работы флуориметра основан на измерении, выделенной в ходе люминолсодержащей хемилюминесцентной реакции, световой энергии.

Для обработки аналоговых сигналов ОСЕ-2 разработано микропроцессорное устройство, позволяющее обеспечивать:

преобразование аналогового сигнала на выходе в 31-разрядный цифровой код; передачу и обработку цифровой информации в реальном масштабе времени в компьютер для дальнейшей обработки и регистрации;

ввод с компьютера в энергонезависимую память исходных установочных параметров при калибровке;

самоконтроль работоспособности после включения питания.

Данный прибор используется для количественного экспресс-определения в водных средах веществ органической и неорганической природы, бактериальных клеток.

Ценную информацию в анализе вод предоставляют электрохимические методы анализа: по-тенциометрия и кулонометрия представлены различными приборами.

Лабораторный рН-метр Анион-4100 предназначен для измерения: активности ионов водорода (рН); ЭДС электродных систем; окислительно-восстановительного потенциала (Е^). Измерения осуществляют электродами, состоящими из индикаторного электрода, обратимо реагирующего на изменение активности ионов водорода, и электрода сравнения (насыщенного каломельного или хлорсеребря-ного). рН-метр проводит автоматическое снятие показаний измерений и сохранение их в блокноте через установленные промежутки времени.

Передача информации на персональный компьютер, управление прибором через персональный компьютер по каналу связи RS-232C.

Портативный кондуктометр Анион-7030 прост и удобен в управлении, предназначен для измерения:

удельной электрической проводимости (УЭП) различных электролитов;

солесодержания в пересчёте с УЭП на из 30 солей и оснований (по выбору пользователя);

температуры растворов в приведении к 20 и 25 °С (по выбору пользователя).

Возможен выбор удобной для оператора единицы измерения: УЭП - в мкСм/см либо мСм/см; Сэ^ - в мг/дм3; г/дм3 на информативном графическом дисплее.

Кондуктометры широко применяют в различных областях промышленности для определения концентраций оснований, кислот, солей и контроля состава различных промышленных растворов.

Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды - хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели газожидкостная и тонкослойная

хроматографии. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография применима для определения органических соединений-загрязнителей.

Рис. 4. Газожидкостный хроматограф CНROM-5

Газожидкостный хроматограф предназначен для определения токсичных микропримесей в жидкостях. Распределение компонентов в хроматографе между носителем и неподвижной жидкой фазой происходит за счёт растворения их в жидкой фазе. Селективность зависит от упругости пара определяемого вещества и его коэффициента активности в жидкой фазе.

Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод.

При анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ применяют Пушок-1 - универсальный портативный газоанализатор-сигнализатор довзрывных концентраций горючих и взрывоопасных газов и паров.

Измерение объёмной концентрации горючих газов и паров в атмосфере воздушной среды с выдачей сигнала при превышении заданного уровня. Прибор успешно используется при поиске мест утечек горючих газов на открытых трубопроводах, а также при выявлении участков и масштабов скрытых подземных утечек и разливов горючего из трубопроводов и ёмкостей.

Химическая информация о качестве окружающей среды чрезвычайна важна. Эта серьёзная проблема предопределяет высокую требовательность к результатам химико-аналитического исследования. Оснащение кафедры химии и материаловедения различными типами аналитических приборов и разработанными методиками позволяет проводить аналитические измерения широкого спектра антропогенных загрязнений объектов природной среды.

Литература

1. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат. - 1984. - 560 с.

2. Залозная Н.Г. Компоненты ракетного топлива и экологические риски // Гражданская защита. Центральное издание МЧС России. 2007, № 7. С. 40 - 41.

3. Скурлатов Ю.И. Введение в экологическую химию. М.: Высш. шк., 1994. - 398 с.

4. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде: Справочник. Л.: Химия, 1985. - 528 с.