Определение содержания диоксида серы в атмосферном воздухе

Сегодня, как никогда, перед человечеством стоит вопрос о необходимости изменения своего отношения к природе. Основой как национального, так и мирового развития общества должна стать гармония человека и природы. Каждый человек должен понимать, что только в гармонии с природой возможно его существование на планете Земля.

Все возрастающая опасность отрицательного воздействия промышленного и сельскохозяйственного производства на здоровье людей и на состояние биосферы в целом привела к созданию систем предупреждения, контроля и прогнозирования состояния, как отдельных объектов окружающей среды, так и всей биосферы. Такая информационная система наблюдения и анализа состояния природной среды, в первую очередь - наблюдения уровней загрязнения и эффектов, вызываемых ими в биосфере, получила название мониторинга.

Мониторинг сред и объектов техногенного воздействия предусматривает определение степени загрязнения воздуха.

Основными загрязнителями атмосферы являются транспорт и индустрия. Тысяча автомобилей с карбюраторными двигателями в день выбрасывают около 3 т СО, 100 кг NO, 500 кг соединений неполного сгорания бензина. В состав основных компонентов выхлопов бензиновых двигателей внутреннего сгорания входят (%): оксиды углерода – 0,5 – 12,0; водород – 0,1 – 5,0; кислород – 0,3 – 8,0; азот – 74 – 77; оксиды азота – 0, 001 – 0,8; пары воды – 3,0 – 5,5; углеводороды – 0,2 – 3,0; сажа – до 0,04 г/м3; альдигиды – до 0,2 м/л; бенз(а)пирен – 10 – 20 мг/м3. Количество свинца в воздухе находится в прямой зависимости от интенсивности движения и может достигать 4 – 12 мг/м3. При работе на серосодержащем топливе в выхлопах появляется оксид серы.

Соединения серы попадают в атмосферу, как естественным путем, так и в результате антропогенной деятельности. В роли естественного источника выступает поверхность суши и океана. Соединения серы образуются в процессе разрушения органических веществ с помощью, анаэробных микроорганизмов. Предполагается, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн. т/год, что составляет 1/3 всего выделяемого количества серы. При извержении вулканов в атмосферу наряду с большим количеством диоксида серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера (2%). Поступает сера в атмосферу и с поверхности океанов в виде сульфатов.

В результате антропогенной деятельности в атмосферу попадает значительное количество серы, главным образом в виде диоксида (59-69%).

Среди источников этого соединения на первом месте стоит сжигание угля (70% антропогенных выбросов). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии. При сгорании нефтепродуктов сернистого газа образуется гораздо меньше. Основными источниками образования SO2 наряду со сжиганием ископаемого топлива является металлургическая промышленность (переработка сульфидных руд свинца, меди и цинка), а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти.

В атмосфере SO2 под действием кислорода окисляется до S03, последний растворяется в капельках влаги с образованием серной кислоты. Это приводит к выпадению кислотных дождей. Если в атмосфере содержится аммиак, то идет образование сульфата аммония. В своем большинстве твердые аэрозольные частицы представляют собой сульфаты и туманообразную HSO4. Содержание таких частиц в городах достигает 10 мг/м3. Предельно допустимая концентрация максимально разовая для SO2 - 0,5 мг/м3, среднесуточная - 0,05 мг/м3, класс опасности SO2 - 3.

Диоксид серы - наиболее вредный газ из распространенных загрязнителей воздуха. Он вызывает заболевания дыхательных путей, ведет к возникновению хронического бронхита.

Зная эти данные, была выдвинута гипотеза: недалеко от нашей школы расположен металлургический завод, ТЭЦ, в районе школы интенсивное движение автомобильного транспорта значит, атмосферный воздух загрязнен диоксидом серы.

Глобальное потепление климата и окружающая среда на рубеже XXI века

На рубеже XXI в. проблема глобального потепления климата не перестает волновать мировую общественность, учитывая весьма негативные и социально-экономические последствия для окружающей среды и современной цивилизации. В ходе человеческой деятельности в атмосферу ежегодно выбрасывается огромное количество различных загрязняющих веществ, изменяющих ее химический состав. Многие из них (диоксид углерода, метан, оксиды азота, хлор-фторуглероды, озон и др. ), пропуская солнечные лучи, препятствуют длинноволновому тепловому излучению от земной поверхности. Часть этого поглощенного теплового излучения атмосферы направляется обратно к поверхности Земли, создавая парниковый (тепличный) эффект.

В течение XX в. глобальная средняя температура приземного слоя воздуха повысилась на 0,6°С, причем эта тенденция особенно усилилась в 80-90-х гг. По оценкам экспертов ООН, последующее увеличение глобальной температуры воздуха в течение XXI в. может составить от 1,5 до 4°С. Такое изменение климата представляет серьезную угрозу природным экосистемам и связанными с ними негативными последствиями для человечества. Поэтому были приняты международные соглашения по изменению климата: Монреальский протокол по ограничению и запрещению производства фреонов (1987), Конвенция об изменении климата (Рио-де-Жанейро, 1992), Протокол об ограничении выброса парниковых газов (Киото, 1997) и др. В 1988 г. Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) организовали Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК). Ее целью явилось изучение глобального потепления климата (парникового эффекта) и его последствий, а также моделирование изменений климата на XXI в.

Источники и эмиссия парниковых газов

В 90-е гг. XIX в. шведский ученый, лауреат Нобелевской премии С. Аррениус (1859-1927) установил, что углекислый газ (СО2) способен поглощать уходящую радиацию, поддерживая тем самым высокие приземные температуры. Тогда же было высказано предположение, что некоторые виды деятельности человека (сжигание угля, нефти, древесины) могут привести к росту СО2 в атмосфере, а тем самым к усилению парникового эффекта. И вот спустя более сто лет эти пророческие критерии изменения климата приобрели реальный смысл. Широкий круг человеческой деятельности вызывает значительные выбросы парниковых газов в атмосферу, среди которых особую роль играют диоксид углерода, метан, ХФУ (фреоны), оксиды азота.

По оценкам экспертов ЮНЕП, вклад различных видов деятельности человека в выбросы парниковых газов в атмосферу за последние десятилетия составил: энергетика — 46%, промышленность — 24%, лесное хозяйство — 18%, сельское хозяйство — 9% и прочие — 3%. Наибольший вклад вносит производство и использование энергии за счет сжигания ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ), давая огромные выбросы диоксида углерода (6-7 млрд. т).

При этом с начала XX в. ежегодное увеличение выбросов СО2 в атмосферу составляло 4-5%, и к 2025 г. они могут возрасти до 11-15 млрд т. Наибольший вклад в мировые выбросы СО2 вносят США (более 24%), Россия (16%), Китай (более 11%) и др.

Концентрации диоксида углерода, метана и оксида азота, оставаясь относительно постоянными до конца XVIII в. , затем резко возросли под воздействием деятельности человека. ХФУ (фреоны) до 30-х гг. XX в. в атмосфере не присутствовали. Так, концентрация (частей на миллион) СО2 возросла с 280 до 353, метана — с 0,8 до 1, 72 (на 2000 г. ). В последние десятилетия стало отмечаться постепенное возрастание в атмосфере содержания метана (в среднем около 1% в год). Это связано как с природными фактами, так и с антропогенными (сжигание биомассы, рисовые поля, добыча угля, крупный рогатый скот, полигоны ТБО и др. ). Ежегодная эмиссия метана в атмосферу составляет более 500 млн. т, причем около 70% приходится на антропогенные факторы. Страны Восточной Азии (особенно Китай и Индия) являются крупнейшими в мире поставщиками биогенного метана в атмосферу, который выделяется при выращивании риса. Так, в 1995 г. выброс метана только с рисовых полей Индии составил более 40 млн. т, где в анаэробных условиях заливаемых полей происходит интенсивное разложение органического вещества с выделением метана.

Увеличение содержания в атмосфере оксида азота (примерно 0,3% ежегодно) связано в основном с производством и применением азотных удобрений. Хлор-фторуглероды (ХФУ) или фреоны синтезированы лишь в 30-х гг. XX в. , но стали широко применяться с начала 60-х гг. в промышленном производстве (холодильники, кондиционеры, пенообразователи; распылители в аэрозольных упаковках и пр. ). В настоящее время в мире производится около 1,5 млн. т фреонов, из них на США приходится 35%, страны ЕЭС — 40%, Японию — 12%, Россию — 8% и др.

По расчетам экспертов МГЭИК, вклад парниковых газов в глобальное потепление климата составил для диоксида углерода — 55%, метана — 15%, ХФУ (фреонов) - 17%, закиси азота — 6% и прочие — 7%. При этом концентрация метана, закиси азота и фреонов в атмосфере растет быстрее, чем СО2, что отображает их возрастающий вклад в формирование парникового эффекта. Так, вычисленное воздействие 1 молекулы метана на парниковый эффект в 21 раз более интенсивнее, чем в случае с СО2, а молекула ХФУ эффективнее в 12 тыс. раз. Кроме того, в глобальном потеплении также участвуют такие парниковые газы, как водяной пар и озон, четыреххлористый углерод, метилхлороформ и др.

Гипотезы разрушения озонового слоя

Многочисленные международные экспедиции по изучению озоновых дыр в Антарктиде и Арктике установили, что, помимо различных природных факторов, все же основным является наличие в атмосфере значительного количества ХФУ (фреонов). Однако в последние годы появились новые сведения, как по антропогенным, так и по природным факторам, способствующим разрушению озонового слоя Земли.

Антропогенная гипотеза

В 1995 г. ученые-химики Шервуд Роуланд и Марию Молина из Калифорнийского университета в Беркли (США) и Поль Кругцен из Германии были удостоены Нобелевской премии за научную гипотезу, выдвинутую ими еще два десятилетия назад — в 1974 г. Ученые сделали открытие в области химии атмосферы, в частности процессов образования и разрушения «озонового слоя». Они пришли к выводу, что под действием солнечных лучей синтетические углеводороды (ХФУ, галоны и др. ) разлагаются с выделением атомарного хлора и брома, разрушающего озон в атмосфере.

Фреоны (Хлорфторуглероды) — высоколетучие, химически инертные у земной поверхности вещества (синтезированы в 1930-х гг. ), с 1960-х гг. стали широко применяться в качестве хладагентов (холодильники, кондиционеры, рефрижераторы), пенообразователей аэрозолей и др. Фреоны, поднимаясь в верхние слоя атмосферы, подвергаются фотохимическому разложению, образуя окись хлора, интенсивно разрушающую озон. Продолжительность пребывания фреонов в атмосфере составляет в среднем 50-200 лет. В настоящее время в мире производится более 1,4 млн т фреонов, в том числе на страны ЕЭС приходится 40%, США — 35, Японию — 12 и Россию — 8%.

Другая группа химических веществ, разрушающих озоновый слой, имеет название галоны, включающие фтор, хлор и йод, причем во многих странах они используются в качестве средств пожаротушения.

В России максимум производства озоноразрушающих веществ (ОРВ) приходится на 1990 г. — 197,5 тыс. т, причем 59% из них использованы внутри страны, а уже в 1996 г. этот показатель составил 32,4% (или 15,4 тыс. т).

Разрушению озона в стратосфере помимо ХФУ и галонов способствуют и другие химические соединения, такие как тетрахлорметан, метилхлорформ, метилбромид и др. Причем особую опасность представляет метилбромид, который в атмосфере разрушает озона в 60 раз больше, чем хлоросодержащие фреоны.

В последние годы промышленно развитые страны стали широко применять метилбромид в сельском хозяйстве для борьбы с почвенными нематодами, при переработке овощей и плодов (Испания, Греция, Италия), в составе средств пожаротушения, добавок к средствам дезинфекции и др. Ежегодно увеличивается производство метилбромида на 5-6%, причем более 80% дают страны ЕЭС, США. Это токсичное химическое вещество не только существенно разрушает озоновый слой, но и является весьма вредным для здоровья человека (мутагенное и канцерогенное воздействие). Так, в Нидерландах запретили использование метилбромида из-за отравления людей питьевой водой, в которую этот компонент попал со сточными водами.

Еще одним из антропогенных факторов разрушения озонового слоя Земли являются выбросы сверхзвуковых самолетов и космических аппаратов. Впервые гипотеза о значительном воздействии выхлопных газов авиационных двигателей на атмосферу была высказана в 1971 г. американским химиком Г. Джонстоном. Он предположил, что оксиды азота, содержащиеся в выбросах большого количества сверхзвуковых транспортных самолетов, могут вызвать уменьшение содержания озона в атмосфере. Это было подтверждено исследованиями последних лет. В частности, в нижней стратосфере (на высотах 20-25 км), где располагается зона полетов сверхзвуковой авиации, озон действительно разрушается в результате увеличения концентрации оксидов азота. Тем более что в конце XX в. объем пассажирских перевозок в мире ежегодно возрастал в среднем на 5% и, следовательно, увеличивались выбросы продуктов сгорания в атмосферу на 3,5 - 4,5%. Такие темпы роста ожидаются и в первые десятилетия XXI в. Подсчитано, что двигатель сверхзвукового самолета производит около 50 г оксидов азота на 1 кг использованного топлива. В продуктах сгорания авиационных двигателей, кроме оксидов азота и углерода, содержится значительное количество азотной кислоты, сернистых соединений и частиц сажи, также оказывающих разрушительное воздействие на озоновый слой. Положение усугубляется еще и тем, что сверхзвуковые самолеты движутся на высотах, где концентрация стратосферного озона максимальна.

Помимо сверхзвуковых самолетов, оказывающих негативное воздействие на озоновый слой нашей планеты, имеют существенное значение космические аппараты (сейчас в мире более 400 действующих спутников). Установлено, что в продуктах выбросов жидкостных («Протон», Россия) и твердотопливных («Шаттл», США) спутников содержится хлор, разрушающий стратосферный озон. Так, один запуск американского космического корабля типа «Шаттл» приводит к гашению 10 млн т озона. Ракета «Энергия» при 12-залповом пуске через 24 дня уменьшает содержание озона до 7% в пределах вертикального столба атмосферы (диаметром 550 км). Поэтому в США интенсивно ведутся разработки нового экологически чистого ракетного топлива, в состав которого входят перекись водорода (Н2О2) и спирт (катализатор), в результате распада первого компонента на воду и атомарный кислород выделяется энергия.

Итак, приведенные данные показывают, что с каждым годом увеличивается количество антропогенных факторов (фреоны, метилбромид, сверхзвуковые самолеты, космические аппараты и др. ), способствующих разрушению озонового слоя Земли. Однако одновременно имеются интересные дополнения и к естественным причинам, способствующим истощению слоя озона и возникновению озоновых дыр в околополярных пространствах.

Геологическая (эндогенная) гипотеза

Ряд исследователей, не отрицая роль антропогенных (или техногенных) факторов разрушения озонового слоя Земли, предложили геологическую (эндогенную) гипотезу (В. Л. Сывороткин, А. А. Маракушев и др. ). Они считают, что возникновение озоновых дыр связано с определенными геологическими структурами — рифтовыми зонами, которые, образуя глобальную систему, опоясывают Антарктиду. В этих зонах идет интенсивное выделение водородных флюидов с примесью углеродных и галогенных газов, серы, рудных металлов. По мере подъема флюидов, падения температуры и при участии кислорода происходит реакция, которая ведет к образованию воды. Так, в околополюсных пространствах формируются так называемые ледяные облака, способствующие разрушению озонового слоя. Значит, в формировании стратосферных облаков азотно-водного льда существенную роль играют водно-водородные струи, восходящие из земных недр (эндогенный фактор).

Физико-географическая гипотеза

Антропогенные воздействия не являются единственной причиной изменений атмосферного озона. На основе исследований Центральной аэрологической обсерватории России установлено, что в озоновом слое (на высоте 10—25 км) главную роль в сезонных и более длительных изменениях концентрации озона играют процессы переноса воздушных масс. Содержание озона здесь определяется химическим составом атмосферы и долговременными (с периодом более 10 лет) вариациями процесса переноса. Причем озон разрушается в основном веществами, содержащими хлор (фреоны, талоны), реакции протекают на поверхности сильно охлажденных полярных стратосферных облаков. Это и способствует возникновению озоновых дыр, имеющих максимальные размеры именно в Антарктиде. Поскольку температуры нижней стратосферы в Арктике выше, чем в Антарктиде, поэтому такие облака здесь образуются значительно реже.

Недавно американские ученые в лабораторных условиях воспроизвели условия формирования озоновых дыр над Антарктидой, создав химические условия (хлорнитрит, лед, серная и азотная кислоты) стратосферной облачности (на высоте 15-45 км), где температура воздуха достигает от -60° до -90°С. В результате химических реакций образовалось активное соединение — окись хлора, обладающая повышенной способностью разлагать молекулы озона. Непременным условием этой реакции служит наличие сильно охлажденных стратосферных облаков. Все это и способствует формированию «озоновых дыр» в высоких широтах околополярных пространств.

Мероприятия по охране озонового слоя

Сохранение озонового слоя Земли — одна из глобальных задач мирового сообщества, поэтому в 1985 г. была принята Венская конвенция о защите озонового слоя. В 1987 г. в Монреале представители 36 стран подписали Протокол, по которому они взяли на себя обязательства уменьшить использование, а затем прекратить применение в промышленности и в быту озоноразрушающих веществ (ОРВ). Через 10 лет число стран, подписавших данный Протокол, увеличилось до 163, в их число вошла и Россия. Кроме того, в Монреале (1997 г. ) многие страны договорились о необходимости введения лицензирования экспортно-импортных операций с ОРВ, а также о сокращении сроков вывода из употребления метилбромида.

Однако ряд стран, в том числе и Россия, оказались не способны выполнить подписанные соглашения. Поэтому страны Венской конвенции в 1995 г. по предложению правительства России продлили срок полного запрещения производства и потребления ОРВ в связи с временными экономическими трудностями. В Федеральном законе РФ «Об охране окружающей природной среды» (1991 г. ), в ст. 56 намечены мероприятия по охране озонового слоя Земли, в частности регулирование производства и использования в быту химических веществ, разрушающих озоновый слой. В 1997 г. в России переутверждена специальная межведомственная комиссия по охране озонового слоя, на которую было возложено обеспечение выполнения обязательств страны по Венской конвенции и Монреальскому протоколу. Для производства некоторых фреонов (ХФУ-Ц, ХФУ-12, галон-2402) были установлены квоты.

В ряде стран с целью охраны озонового слоя были получены альтернативные озонобезопасные заменители фреонов, в частности фирмы Германии, Италии, Швейцарии, Великобритании стали использовать хладагент — изобутан, имеющий нулевой озоноразрушающий потенциал. Во многих странах при производстве аэрозолей стали использовать экологически чистый фреон — углеводородный пропеллент (80% всех производимых аэрозолей в мире). С 1989 г. данный заменитель фреона стали с успехом использовать в Беларуси (Брестский завод бытовой химии), а с 1994 г. — в России (АО «Хитон», Казань).

Американские ученые разработали альтернативные заменители фреонов — гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) и гидрофторутлероды (ГФУ). В штате Техас построен первый в мире завод по производству заменителей фреона-12. Эти соединения имеют более низкий потенциал разрушения озонового слоя (всего 2-10% от потенциала ХФУ) и чрезвычайно малый интервал времени (2-25 лет) пребывания в атмосфере по сравнению с фреонами (50-200 лет). Выпуск бесхлорных ГФУ начат на заводах Великобритании и Франции. Эти альтернативные заменители фреонов не будут оказывать разрушающего влияния на стратосферный озон.

Как известно, по Венской конвенции и Монреальскому протоколу в мире должно быть резко сокращено производство и использование фреонов (ХФУ) в технологических процессах, Однако такие пассивные методы все-таки не решают проблему в целом. За прошедшие десятилетия в атмосфере столько накопилось фреонов и других озоноразрушающих веществ, что даже после полного их запрещения разрушение озона не прекратится еще не менее 50-80 лет. По прогнозам ученых, общее содержание озона в атмосфере в результате уменьшения выбросов ОРВ нормализуется лишь к 2050 г. Это означает, что еще долгое время сохранится повышенный уровень УФ-излучения и связанные с этим экологические последствия.

Поэтому в США и России уже начаты исследования по активным методам, основанным на сложных физико-химических процессах, способствующих либо уменьшению скорости разрушения озона в стратосфере, либо ускорению его образования. Так, для затягивания озоновых дыр над Антарктидой возможно применение метода инжекции (внесения) в стратосферу этана (С2Нб) или пропана (С2Н8), которые будут связывать атомарный хлор, разрушающий озон, в пассивный к нему хлористый водород.

Существуют также физико-химические методы, ускоряющие образование озона в стратосфере, в частности методы электромагнитного излучения, с помощью электрических разрядов (принцип озонатора) и лазерного излучения. Последний метод разработан в Институте общей физики РАН и основан на более эффективном использовании солнечной энергии в процессах диссоциации кислорода. Дополнительно наработанный кислород, соединяясь с молекулярным кислородом, образует озон. Все это, в конечном счете, дает возможность уничтожить озоновые дыры в околополюсных пространствах и сохранить озоновый экран, а значит, и земную цивилизацию.

Мониторинг атмосферного воздуха

Мониторинг - в точном смысле слова означает наблюдение (слежение) за состоянием среды с целью обнаружения изменения этого состояния, их динамики, быстроты и направления. Получаемые в результате длительных наблюдений и многочисленных анализов сводные данные позволяют прогнозировать экологическую обстановку на ряд лет вперед и принимать меры для устранения неблагоприятных воздействий и явлений. Этой работой профессионально занимаются специальные организации - биосферные заповедники, санэпидемстанции, экологические стационары и другие.

В системе мониторинга различают три уровня: санитарно-токсикологический, экологический и биосферный. В настоящее время более или менее развита система санитарно-токсикологического мониторинга. Она включает в себя наблюдение за состоянием окружающей среды, степенью загрязнения природных объектов вредными веществами, за влиянием этих загрязнителей на человека, животный и растительный мир.

Одним из важнейших объектов окружающей среды является атмосферный воздух. Устойчивость биосферы зависит от его чистоты. Загрязнение воздуха отрицательно влияет на растения, животных, людей, строения, оборудование и различные материалы.

Оценку состояния воздушной среды можно сделать, используя как климатический мониторинг, так и мониторинг загрязнения. К основным параметрам метеорологических исследований относятся температуру воздуха (максимальная, минимальная, суточная, среднесуточная); характеристика ветра (скорость, и направление); влажность воздуха; атмосферные явления (виды облаков, осадки жидкие и твердые); состояние поверхности в радиусе 100 м от места наблюдения (трава зеленая или пожелтевшая; почва сухая пылящая, сухая непылящая, влажная, мокрая; снег и т. д. )

При исследовании атмосферных загрязнений определяют как максимально разовые, так и среднесуточные концентрации.

Метод измерения концентрации вредных веществ должен обеспечивать определение их на уровне 0,8 ПДК с суммарной погрешностью ±25% и отбором пробы воздуха от 20 до 30 мин при определении максимально разовой концентрации, а также круглосуточный отбор пробы при определении среднесуточной концентрации.

Оценку состояния воздушной среды можно проводить с использованием биоиндикационных, физических и химических методов исследования.

Наблюдение за загрязнением атмосферы в городах проводится на стационарных, маршрутных и передвижных (подфакельных) постах.

Экспериментальная часть

Методы мониторинга воздушной среды

Роль атмосферы в природных процессах огромна. Наличие вокруг земного шара атмосферы определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от вредных космических и ультрафиолетового излучений. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них – на режим рек, почвенно-растительный покров и на процессы рельефообразования. Чистый воздух необходим для жизни человека, растений и животных. Атмосферное загрязнения оказывают отрицательное влияние на живые организмы, что приводит к сокращению численности, видового разнообразия животных и растений, заболеваемости человека.

Основные составные части атмосферного воздуха подразделяют на три группы: постоянные, переменные, и случайные.

К первой относится кислород (21% по объему), азот (около 78%), и благородные газы (около 1%). Из постоянных газов представляет интерес озон. Он является промежуточным продуктом фотохимических реакций, поэтому обнаружение его в воздухе современных городов рассматривается как показатель загрязнения атмосферы. В тоже время озон в верхних слоях атмосферы образует экран, защищающий Землю от губительного ультрафиолетового излучения. Ко второй группе относятся диоксид углерода (0,02 – 0,04%) и водяной пар. К третьей группе относится случайные компоненты, определенные местными условиями. Так, вблизи металлургических заводов воздух часто содержит диоксид серы, техногенные примеси тяжелых металлов.

Определение диоксида серы в воздухе

(экспресс – метод)

ПДК рабочей зоны SO2 — 10 мг/м3. Под действием сернистого газа происходит резкое раздражение слизистых оболочек, спазм голосовой щели.

Принцип метода — восстановление иода сернистым газом до иодоводорода.

В поглотитель Полежаева (или иной подобный поглотитель) наливают 1 мл поглотительного раствора, состоящего из смеси 0,0001 н раствора иода с крахмалом. Через поглотитель протягивают с помощью аспиратора (рис. 2) воздух со скоростью 10 мл/ мин (при такой скорости можно легко сосчитать проходящие через поглотительный раствор пузырьки воздуха) до исчезновения окраски поглотительного раствора.

Объем прошедшего через поглотитель воздуха можно определить по объему вытекающего из аспиратора воды.

Концентрацию сернистого газа в воздухе определяют по таблице № 4

Определение диоксида серы

(физико-химический метод)

Метод определения основан на окислении SO2 в процессе его улавливания из воздуха раствором перекиси водорода с последующим количественным определением осадка, образующегося при взаимодействии сульфат иона с хлоридом бария. Влияние сульфатов и серной кислоты устраняют улавливанием их на фильтр АФА, который помещают перед поглотительным прибором в пластмассовом фильтродержателем.

Метод рекомендуется для определения разовых концентраций. Чувствительность определения 5 мкг в анализируемом объеме пробы. Диапазон измеряемых концентраций 0,08-1 Д мг/м3 при отборе пробы объемом 80 л.

Оборудование, реактивы, материалы:

1)улавливающее устройство: аспиратор для отбора проб, поглотительный прибор Рыхтера, пластмассовый фильтродержатель с фильтром АФА; 2) аналитические весы; 3) барометр; 4) термометр; ,5) фотоколориметр; 6) глицерин (х. ч. ) или этиленгликоль (х. ч. ); 7) соляная кислота, конц. (пл. 1,19 х. ч. ); 8) спирт этиловый, ректификату 9) перекись водорода (Н2Ог), х. ч. ; 10) калий сернокислый, безводный (х. ч. ), К2SO4; 11) поглотительный раствор: 10 мл 30%-ной H2O2 растворяют в 1 л воды, 0,3%-ный раствор Н2О2 хранят в темной склянке не более недели; 12) барий хлористый, составной реактив: 5,85 г кристаллического хлористого бария (BaCl2 ∙ 2НгО) растворяют в 50 мл воды. Затем приливают 150 мл этилового спирта и 150 мл глицерина или этиленгликоля. Величину рН смеси доводят до 2,5-2,8 концентртрованной соляной кислотой НCl. Раствор оставляют на 48 часов и в случае появления осадка фильтруют через фильтр «синяя лента». Срок хранения 2 месяца; 13) исходный стандартный раствор. Безводный сернокислый калий мелко растирают и сушат при температуре 120-150°С в течение 2 часов. Навеску 0,2720 г растворяют в 100 мл воды. Этот раствор соответствует содержанию SO2 1000 мкг/мл; 14) рабочий стандартный раствор. Готовят 10-кратным разбавлением исходного стандартного раствора и поглотительным раствором. Полученный раствор соответствует содержанию SO2 100 мкг/мл.

Материал: воздух населенного пункта.

Работа рассчитана на 4 часа.

Для определения разовой концентрации исследуемый воздух со скоростью 4 л/мин протягивают в течение 20 мин через поглотительный прибор Рыхтера, содержащий 6 мл поглотительного раствора. Для очистки воздуха от аэрозолей сульфатов и серной кислоты, мешающих определению, перед поглотительным прибором помещают пластмассовый фильтродержатель с фильтром АФА, присоединенный встык. Металлический фильтродержатель применять нельзя.

В лаборатории уровень раствора в поглотительном приборе доводят до 6 мл дистиллированной водой. Для анализа 5 мл раствора пробы переносят в пробирку и добавляют 1 мл раствора ВаСl2. Содержимое пробирки тщательно встряхивают и через 15 минут определяют оптическую плотность раствора в кювете толщиной 10 мм при длине волны 400 нм относительно нулевой пробы.

Время от добавления последнего реактива до измерения оптической плотности для всех проб должно быть одинаковым. Одновременно проводят измерение нулевой пробы, для чего 5 мл поглотительного раствора анализируют аналогично. Оптическая плотность нулевой пробы должна быть не более 0,01. Количество SO2 в пробах находят с помощью калибровочного графика. Анализ проб можно проводить и визуально.

Расчет концентрации С мг/м3 в атмосферном воздухе проводят по формуле:

C= a. m: V0. b где: а – общий объем пробы в поглотительном приборе (6 мл); b –объем пробы для анализа (5 мл); т – количество SO2 в пробе, найденное по калибровочному графику, мкг;

Vo – объем протянутого воздуха, приведенный к нормальным условиям, л.

Построение калиброванного графика

В мерные колбы на 100 мл наливают 1, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 20 мл рабочего стандартного раствора (100 мкг/мл). Разбавляют поглотительным раствором. Концентрация S02 в 5 мл стандартного раствора в мерных колбах составляет соответственно 5,10, 20, 30, 40, 60, 80,100 мкг. Для приготовления шкалы стандартов отбирают в пробирки по 5 мл каждого стандарта и проводят операции по методике, описанной выше.

Результаты и выводы

Мониторинг состояния атмосферного воздуха города Комсомольска-на-Амуре

Показатели по загрязнению атмосферы города выдает государственная служба наблюдения за состоянием окружающей природной среды – Хабаровский центр по мониторингу загрязнения окружающей среды (далее - «Гидромет») на основе наблюдений лаборатории в г. Комсомольске-на-Амуре. Наблюдения проводятся на 4 постах, размещенных в Центральном округе.

Уровень загрязнения атмосферы на основе данных Гидромета в 2003 году определен как очень высокий за счет ИЗА=14,8

За 2003 год по г. Комсомольску-на-Амуре суммарный индекс загрязнения определяется из суммы индексов вредных веществ, превышающих ПДК в атмосфере:

ИЗА= 6,3 + 5,5 + 1,7 +1,3 =14,8

(бензапирен) (формальдегиды) (взвешенные в-в) (двуокись азота)

Таким образом, основной вклад вносят показатели по ИЗА бензапирена и формальдегида – 11,8.

ИЗА – это суммарный индекс загрязнения атмосферы. В соответствии с существующими методами оценки Гидромета уровень загрязнения считается очень высоким при ИЗА больше 14,0.

На основе данных Гидромета Комсомольск-на-Амуре в 2003 году вошел в число 36 городов России с наибольшим уровнем загрязнения (наряду с Хабаровском).

Атмосфера города загрязнена окислами азота. Максимальное содержание в 4,6 раза превышает санитарную норму и отмечается в центральной части города. В этом же районе в апреле-июне 2003 года повторяемость концентраций выше 1 ПДК составляет 64-71 %.

Среднегодовое содержание оксида углерода не превышает ПДК. Максимальное разовое составляет 4,8 ПДК. В годовом ходе, также, отмечается рост среднемесячных концентраций и процента повторяемости концентраций выше 1 ПДК в летнее время года.

По сравнению с 2002 годом уровень загрязнения бенз(а)пиреном несколько возрос. В ноябре наблюдалась концентрация, превышающая предельно допустимую норму в 7,5 раза. В годовом ходе отмечается рост среднемесячных концентраций в зимнее время.

Среднегодовая концентрация формальдегида, в сравнении с 2002 годом, понизилась до 3,7 ПДК. Максимальная – 4,8 ПДК отмечается в апреле на станции 12.

Загрязнение фенолом, аммиаком, сероводородом, хромом (YI), тяжелыми металлами незначительное.

Уровень загрязнения воздуха: очень высокий за счет ИЗА=14,8, который определяется высокими средними концентрациями формальдегида и БП, а также и возросшими за счет лесных пожаров, средними значениями взвешенных веществ и оксида углерода.

За пятилетний период среднегодовые концентрации взвешенных веществ, диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота, формальдегида возросли.

В 2003 году отмечается превышение ПДК на посту № 9: по взвешенным веществам, двуокиси азота, формальдегиду. Пост № 9 расположен на пересечении ул. Кирова – пр. Ленина, где отмечается интенсивная автомобильное движение между центральным и Ленинским округами. Пост № 9 расположен в 6м от автомагистрали (при этом отмечается снижение, по сравнению с 2002 годом, ПДК оксида углерода). Снижение оксида углерода на данном участке связано с введением в эксплуатацию автодороги связывающий Центральный и Ленинский округа. Превышение ПДК на посту № 10 – Привокзальный район на пересечении ул. Пирогова – Магистральное шоссе, отмечается по взвешенным веществам, двуокиси азота, формальдегиду и фенолу. При северном ветре влияние выбросов от ТЭЦ-1, металлургических заводов, предприятий Комсомольского отделения ДВЖД и др. Данные ведомственного лабораторного контроля в санитарно-защитной зоне приведены в таблице № 2

Состояние атмосферного воздуха в районе ОАО «Амурметалл».

На заводе «Амурметалл» выбросы вредных веществ в атмосферу в 1991 году составляли 13 тыс. тонн. В 2006 году выбросы значительно уменьшились и составляют 1,5 – 2 тыс. тонн.

По количеству загрязнения атмосферного воздуха в г. Комсомольске-на-Амуре выбросы вредных веществ с завода «Амурметалл» составляет 5 – 7% от общего количества по г. Комсомольску-на-Амуре.

Наибольшие выбросы происходят из-за сжигания угля, мазута, но «Амурметалл» работает на усовершенствованной технологии (газ) и благодаря этому вредных выбросов очень мало.

По данным «Лаборатории защиты водного и воздушного бассейнов ОООС» ОАО «Амурметалл» из аппарата ЭСПЦ – 2 выбросов SO2 не обнаружено.

Нормы содержания веществ в атмосфере:

C – 0,3 ПДК

NO, NO2 – 0,3 ПДК

SO2 – 0,3 ПДК

CH4 – 0,2 ПДК

Пыль, сажа – 0,3 ПДК

По бензопирену – 0,2 ПДК

Непроизводственные углеводороды ароматизированные – 0,1 ПДК

Другие специальные вещества – 0,2 ПДК

Наблюдения на территории завода за состоянием атмосферного воздуха ведётся по приборам:

№1 → для наблюдений изменения загрязнения атмосферного воздуха вредными веществами → в специальное отверстие вставляют фильтр, первоначально взвешенный, затем завинчивают специальной трубкой, в которую всасывается воздух. Воздух проходит через фильтр и шланг. Затем вынимается фильтр и взвешивание повторяется. Тем самым выявляется статистика загрязнения атмосферного воздуха в районе завода.

№2 →равноплечие весы ВЛР – 200, весы квадратные ВАКТ – 500 →для взвешивания воздуха и выявления загрязнения → в специальных колбах до и после выбросов

№3 → ДАК – 500.

Вывод

Оксид серы по категории загрязнителей относится к 5 категории, как один из наиболее распространенных и опасных газов.

По результатам экспресс - метода концентрация диоксида серы в атмосферном воздухе составляет 0,5 ПДК, что является допустимой нормой.

В атмосфере SO2 под действием кислорода окисляется до S03, последний растворяется в капельках влаги с образованием серной кислоты. Это приводит к выпадению кислотных дождей. Если в атмосфере содержится аммиак, то идет образование сульфата аммония. В своем большинстве твердые аэрозольные частицы представляют собой сульфаты и туманообразную HSO4. Содержание таких частиц в городах достигает 10 мг/м3. Предельно допустимая концентрация максимально разовая для SO2 - 0,5 мг/м3, среднесуточная - 0,05 мг/м3, класс опасности SO2 - 3.

Физико-химический метод определения основан на окислении SO2 в процессе его улавливания из воздуха раствором перекиси водорода с последующим количественным определением осадка, образующегося при взаимодействии сульфат иона с хлоридом бария. Влияние сульфатов и серной кислоты устраняют улавливанием их на фильтр АФА, который помещают перед поглотительным прибором в пластмассовом фильтродержателем. Метод рекомендован для определения разовых концентраций. Чувствительность определения 5 мкг в анализируемом объеме пробы. Диапазон измеряемых концентраций 0,08-1 Д мг/м3 при отборе пробы объемом 80 л.