Файл: Лекции по мониторингу.doc

Кулонометрический метод анализа обладает высокой чувствительностью и широким динамическим диапа­зоном. К недостаткам кулонометрических приборов мож­но отнести низкую селективность и необходимость пери­одической смены электролита. Примером таких приборов являются газоанализаторы ГКП-1 и «Атмосфера-1», слу­жащие для определения SO₂, H₂S, О₃, С1₂ на уровне ПДК и ниже.

Полярографический метод основан на восстановлении анализируемого соединения на ртутном электроде; его применяют, как правило, при анализе следовых коли­честв веществ. Полярографы ППТ-1, ПУ-1, ПЛ-2, ПА-3, ПО-5122 используют для определения концентраций ор­ганических и неорганических соединений с минималь­ным содержанием в пробе от 0,05 до 1 мкг/мл.

1.2. Оптические методы анализа включают в себя абсорб­ционные и эмиссионные методы.

Абсорбционные методы основаны на способности ве­ществ избирательно поглощать лучистую энергию Солнца в характерных участках спектрального диапазона и, в свою очередь, подразделяются на недисперсионные и дисперси­онные. Недисперсионные методы основаны на выделении нужной спектральной области без разложения излучения в спектр, а дисперсионные — на выделении нужной спект­ральной области путем разложения излучения в спектр.

Фотоколориметрический метод основан на измерении интенсивности окраски цветных соединений, образую­щихся при взаимодействии определяемого компонента со вспомогательным реагентом. Метод обладает высокой чувствительностью и хорошей селективностью, к его не­достаткам можно отнести невысокую точность и большую погрешность измерения.

Фотоколориметры марок ФЭК-М, ФЭК-Н-5, ФК-110 и другие используют для определения содержания в рас­творах органических и неорганических соединений. Чув­ствительность определения зависит от природы вещества и составляет от 0,04 до 20 мкг/мл пробы.

Спектрофотометрические методы основаны на тех же принципах, что и фотоколориметрические, но в спектро­фотометрах используют поглощение монохроматического света. Для анализа жидких сред применяют спектрофото­метры марок СФ-4, СФД-2, СФ-2М, СФ9, СФ-10, СФ-14, СФ-19, С-605 и др. Чувствительность определе­ния органических и неорганических соединений находит­ся на уровне 0,08—20 мкг/мл пробы.

Для определения количества веществ, находящихся в растворах во взвешенном состоянии, используют турбидиметрический метод, основанный на измерении интенсивности света, прошедшего через контролируе­мый раствор пробы. Если измеряется не прошедший через суспензию свет, а рассеянный, то такой метод анализа называют нефелометрическим. Он особенно чувствителен при анализе сильно разбавленных сус­пензий.

Еще одним абсорбционным аналитическим методом является оптико-акустический —

весьма перспективный метод определения многочисленных органических загряз­няющих веществ, поскольку они способны поглощать ИК-излучение, моделированное звуковой частотой. В ре­зультате такого поглощения молекулы органических загрязнителей начинают испускать звук на частоте модуля­ции; механизм испускания состоит в том, что газ в рабо­чей кювете разогревается под действием инфракрасного излучения и его давление начинает колебаться с частотой модуляции (звука). Измеряя интенсивность этого звука. удается измерить и концентрацию вещества, поглотившего ИК-излучение. Зная частоту последнего, можно установить тип вещества. Оптико-акустический метод ис­пользуют в газоанализаторах ГИАМ-1, ИКРП-450У. Таким методом определяют содержание в пробах органических веществ. Он характеризуется высокой избирательностью и чувствительностью для сильно флуоресцирующих ве­ществ и может быть использован в качестве метода дис­танционных наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха.

Эмиссионные методы основаны на измерении интен­сивности излучения анализируемой газовой смеси. Ис­следуемые молекулы приводят в состояние оптического возбуждения, а затем регистрируют интенсивность люми­несценции или флуоресценции — испускания возбужден­ными молекулами квантов света при возвращении в ос­новное состояние.

При люминесценции возбуждение осуществляют при нормальной температуре в результате химических реак­ций (хемилюминесценция), протекания электрического тока (электролюминесценция) или поглощения световой энергии (флуоресценция). Последний метод характеризует­ся высокой избирательностью и чувствительностью для сильно флуоресцирующих веществ и может быть исполь­зован в качестве метода дистанционных наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха.

Хроматографические методы относят к гибридным, или комбинированным, так как они основаны на комби­нировании как минимум двух разнородных принципов: предварительного разделения смеси веществ и последую­щего детектирования каждого из веществ по очереди. Чем четче производится разделение компонентов смеси, тем более мягкие требования предъявляют к селективности детектора. Все известные детекторы делят на универсаль­ные (абсолютно неселективные) и селективные, причем степень селективности может быть разной.

Масспектрометрический метод заключается в иони­зации газообразной пробы электронной бомбардировкой, после чего образующиеся ионы подвергаются воздейст­вию магнитного поля. В зависимости от массы и заряда

ионы в поле отклоняются с различной скоростью и соот­ветствующим образом разделяются. Достоинствами мето­да являются малый объем пробы и высокая избиратель­ность. К недостаткам можно отнести дороговизну. Метод применяют для определения диоксинов, полихлорированных бифенилов и др.

Газохроматографический метод основан на селектив­ном разделении соединений между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна (жидкость, твердое тело), а другая подвижна (инертный газ-носи­тель). Метод позволяет определять ничтожно малые коли­чества веществ, не обладающих специфическими реак­циями, анализировать смеси из десятков и сотен компо­нентов с близкими свойствами. Для проведения анализа используют хроматографы ЛМ-8МД5, ЛХМ-80, «Газохром-1109», «Газохром-3101», «Цвет» (модели 101—110), «Сигма-1» и др. Недостатком метода является то, что для придания летучести примесям необходимо использовать повышенные (до 350 °С) температуры.

Когда летучесть веществ мала, а полярность велика, применяют методы жидкостной и высокоэффективной жидкостной хроматографии, которую можно использо­вать даже для разделения неорганических веществ и ве­ществ с крайне низким парциальным давлением собст­венных паров. В отличие от газовой хроматографии ана­лиз проводят при комнатной температуре.

2. Дистанционные методы наблюдений

Наблюдения за природными объектами с помощью различного типа летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, воздушных шаров, аэростатов, дирижаблей, спутников Земли) относятся к области аэрокосмическо­го мониторинга. Чем большую высоту набирает лета­тельный аппарат, несущий средства наблюдений, тем большими становятся угол и площадь обзора.

Аэрокосмические наблюдения могут быть контактными и дистанционными (последние шире используют в практике наблюдений).

Дистанционные методы наблюдений основаны на взаимодействии излучения с веществом. Если источник излучения естественный (Солнце, Луна, звезды), то изме­рения называются пассивными. В этом случае нет возмож­ности воздействовать на изучаемый объект с помощью обратной связи. Пассивные дистанционные измерения незаменимы на основных трассах (определение О₃ с по­мощью озонометров, определение N₂O). Возможно также их применение при измерениях в надир (вертикально вниз с летящих спутников, самолетов, аэростатов) или лимбовых измерениях, когда атмосфера просматривается в лучах заходящего солнца на трассе, направленной под углом к горизонту.

Пассивные дистанционные методы (например, с ис­пользованием спутников) применяют в глобальном и ре­гиональном мониторинге. В Российской Федерации это метод многозональной видеоинформации (фотографиро­вание со спутников в различных диапазонах спектра), в США — многоспектральные сканирующие системы MSS. Самый маленький хорошо просматриваемый объект на поверхности Земли при использовании этих систем имеет размер 57 х 79 м.

Активные дистанционные методы подразумевают ис­пользование искусственных источников излучения, на­пример лазеров. Возможности этих методов шире за счет возможности изменения параметров источников излуче­ния (интенсивности и частоты), что помогает решать большее число задач, чем в пассивном мониторинге, однако длина трассы измерений в активном варианте намного меньше, так как интенсивность излучения от искусственных источников ослабляется с расстоянием экспоненциально.

Дистанционные методы наблюдений позволяют отсле­живать состояние земной поверхности, водоемов и во­дотоков, а также контролировать загрязнение атмосфе­ры такими веществами, как СО, СН₄, оксиды азота и т. д.

3. Биологические методы наблюдений

Составной частью экологического мониторинга явля­ется мониторинг биологический, т. е. система наблю­дений, оценки и прогноза любых изменений в биоте, вызванных антропогенными факторами. Задача такого мониторинга — обнаружение, идентификация и опреде­ление концентраций загрязняющих веществ в биоте с ис­пользованием индикаторных организмов. Химические и физико-химические методы анализа не в состоянии охва­тить все многообразие загрязняющих веществ, которые претерпевают в окружающей среде сложные трансфор­мации, образуя подчас более токсичные соединения. Количественный анализ какой-либо примеси сам по се­бе не дает ответа на вопрос о ее биологической опаснос­ти. Поэтому необходимы методы интегральной оценки качества среды, такие как биотестирование и биоинди­кация.

Биотестирование — прием исследования, в котором о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетаниях, судят по выживаемости и поведению специально помещенных в эту среду организмов — тест-объектов.

Биоиндикация — очень близкий к биотестированию прием, использующий организмы, обитающие в исследуемой среде, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания.

К тест-объектам и биоиндикаторам предъявляют опре­деленные требования:

• присутствие биоиндикаторов в исследуемой среде в болышом количестве (либо доступность и простота культивирования тест-объектов);

• возможность четкой регистрации эффекта;

• достаточно высокая чувствительность;

• точность, воспроизводимость, достоверность получаемой информации.

Биотестирование и биоиндикацию можно осуществ­лять на уровне молекулы, клетки, органа (или систем ор­ганов), организма, популяции и даже биоценоза. Но не­обходимо учитывать, что

с повышением уровня организа­ции биологических систем возрастает и их сложность, неоднозначность их взаимосвязи с факторами среды.

Загрязнение воздушного бассейна и почвенного по­крова оценивают биологическими методами по состо­янию наземной растительности. При повышенных уров­нях загрязнения отмечается угнетение растительного по­крова, исчезновение отдельных видов и т. п. О качестве почвы можно также судить по активности и распростра­нению в ней почвенных организмов.

Загрязнение водных объектов оценивают по совокуп­ности данных о состоянии зоо- и фитопланктона, зообентоса, перифитона и др.

Оценку степени загрязнения окружающей среды по результатам биотестирования или биоиндикации, как пра­вило, проводят по шкале, имеющей три степени градации: «Сильное загрязнение», «Среднее загрязнение» и «Слабое загрязнение». Однако воды суши в зависимости от их гидробиологических показателей в соответствии с приня­тым в системе Росгидромета классификатором делят на шесть классов: очень чистые, чистые, умеренно загряз­ненные, загрязненные, грязные и очень грязные.

Лекция 3. Приборы экологического контроля. Классификация, принципы работы.

1. Классификация приборов экологического контроля.

К настоящему времени в России и в мире разработано большое количество разнообразных приборов контроля со­стояния окружающей среды. Ниже дано описание наибо­лее употребляемых в практике экологических приборов. Классификация проведена по следующим признакам.

.По видам изучаемой среды:

• приборы для измерения концентрации вредных ве­ществ в атмосфере (газоанализаторы различного типа, хроматографы, динамические масс-спектрометры);

• приборы определения качества воды (фотоэлектрокалориметры, ионометры, рефрактометры);

• приборы для исследования состояния почвы и твер­дых веществ (спектрометры, флуорометры, радиометры).

По методам получения информации:

• химический (реактивы и оборудование стационарных химических лабораторий, так называемая мокрая химия);

• физико-химический;

• оптический (спектрофотометры, фотоэлектрокалориметры, ионометры);

• электрохимический (ионометры, кондуктометры, полярографы);

• хроматографический (жидкостные и газовые хрома­тографы и различные хроматографические колонки);

• физический;

• радиометрический;

• электромагнитный;

• масс-спектрографический;

• шумометрический.

По условиям применения приборов:

• стационарные (приборы атомного и молекулярного спектрального анализа, хроматографы). Это прецизион­ные приборы, они требуют специальных условий для работы и специальной подготовки обслуживающего персо­нала;

• переносные приборы экологического контроля (чаще всего они называются приборами экспресс-анализа и используются, в частности, в передвижных экологических лабораториях). Эти приборы (радиометры, нитратомеры,
  комплекты для качественного анализа воды и почвы) имеют невысокую точность, но вполне применимы для проведения простейших экологических работ.

По учебно-производственному принципу:

• приборы 1-го (учебно-практического) уровня.

Их целесообразно применять в работе школьных экологических кружков и экспедиций. В частности, можно рекомендовать: дозиметр «Белла», нитратомеры ЭБИК/МОРИОН, анализатор качества почвы «АП-Дельта», комплект при­боров КИ, газоанализатор УГ-2, комплект приборов для анализа качества воды «Пчелка-У» с чеками, а также биолюминометр «Биотоке». Эти приборы достаточно дешевы;

• приборы 2-го (учебно-профессионального) уровня (основной уровень). Эти приборы должны знать выпуск­ники учреждений среднего профессионального образования по специальности «техник-эколог» и в меньшей сте­пени — по специальности «лаборант-эколог»;

• приборы 3-го (профессионального) уровня. Это при­боры, применяемые в промышленности, службах Санэпиднадзора и в науке. Это приборы дорогостоящие, и для их обслуживания нужны специально подготовленные
  кадры. Однако, по нашему мнению, техник-эколог дол­жен знать о таких новых, точных, снабженных компьютерами приборах, как атомный спектрофотометр, стати­ческий масс-спектрограф и пламенный спектрофотометр.