Лабораторна робота №1
Екомоніторинг атмосферного повітря.
Методи очистки повітря.
1.1 Мета роботи: вивчити теоретичні та прикладні основи методів екологічного моніторингу повітряного басейну та експериментально визначити рівень забрудненості пилом атмосферного повітря та ефективність його очистки методом фільтрації.
1.2 Короткі теоретичні відомості.
Навколишнє природне середовище – це вся земна природа, яка оточує людину.
Екологічна система – єдиний природний комплекс, утворений живими організмами і середовищем їх перебування, де "жива і нежива" матерія зв'язані між собою обміном речовин, енергії.
Глобальна екологічна система – це біосфера, яка складається з атмосфери (тропосфери) – 10...15км (по висоті), гідросфери – 10...12км і літосфери – 2...5км (по глибині), тобто складовими навколишнього середовища (НС) є повітря, вода, ґрунт.
Таким чином, наша планета має три системи життєзабезпечення – чисті повітря, вода і ґрунт. Забруднення їх сприяє підвищенню захворюваності людей і тварин, зниженню врожайності сільськогосподарських культур і продуктивності тваринництва, підвищенню зносу машин і устаткування, промислових будинків і споруд, пам'ятників культур. Зростає загроза загибелі унікальних природних територіальних комплексів, росте перелік зникаючих видів тварин і рослин.
Екологія – наука, яка вивчає характер і різноманіття взаємозв'язків "природа – суспільство – природа".
Головна сучасна задача захисту НС – охорона екологічної системи (біосфери), забезпечення нормального функціонування і підтримка виробленого протягом геологічних епох екологічно збалансованого стану біосфери.
Запиленість міст зросла в даний час відносно початку XX ст. більш, ніж у 10 разів. Тому міста одержують у середньому на 15% менше сонячній енергії, на 10% більше опадів (дощ, сніг). Основні джерела забруднення – промисловість, транспорт і сільське господарство. Найбільше забруднюють атмосферне повітря слідуючі галузі промисловості:
" теплоенергетика – 25%;
" чорна металургія – 23%;
" нафтохімія – 13,7%;
" транспорт – 1,6%.
Концентрація пилу в повітрі промислових міст складає 3 мг/м3, тоді як у сільській місцевості – 0,15 мг/м3, а над морем і океаном – 0,015...0,003 мг/м3. Щорічно випадає на земну поверхню 500...1000 т пилових частинок на 1 км2 . З огляду на те, що людина споживає в середньому 40 м3 повітря в добу, чистота атмосферного повітря набуває особливо важливе значення. Відомо більш 500 забруднювачів повітря (2 млрд. т забруднювачів щорічно). Основні забруднювачів: оксид вуглецю, диоксид сірки, оксиди азоту, вуглеводні, сірководень, сполуки свинцю, пил та ін. Більш 200 токсичних компонентів містять вихлопні гази, у тому числі вуглеводні (максимально – алкани, близько 50%, алкени та алкадієни – 30 – 35%, ароматичні – 10%, альдегіди – 5% та ін.) , які мають депресивний, наркотичний вплив на людину. Ці токсичні компоненти здатні накопичуватися в жировій тканині.
Оксид вуглецю (СО) взаємодіє з гемоглобіном крові, з утворенням комплексної сполуки, яка нездатна переносити кисень до тканин, а також сприяє відкладенню ліпідів (жирових бляшок) на стінках коронарних судин.
Діоксид вуглецю (СО2) – збільшення концентрації в повітрі на 13% порушує тепловий баланс, викликаючи "парниковий ефект" (пропускає сонячну радіацію, але не пропускає назад ИЧ-промені, що викликає розігрів – "ефект оранжереї".
Діоксид сірки (SO2) – має подразнюючу дію (150 млн. т/ рік, 70 кг на 1 м2 локальний вміст SO2 може бути вище в 103 разів і більше).
Діоксид азоту (NO2) – викликає отікання легень, порушення центральної нервової системи.
Діоксиди сірки й азоту сприяють фотохімічному смогу. Розрізняють три види смогу:
" вологий – осінньо-зимовий "Лондонський",
" фотохімічний ("Лос-Анджелеський") літній;
" крижаний ("Гренландский"), зимовий.
Обумовлюють “кислотні” дощі (по кислотності наближаються до кислотності помідорів, тоді як раніше ця величина відповідала кислотности картоплі). У результаті зменшується родючість ґрунтів, сповільнюється ріст рослин, накопичуються нітрати в ґрунті, підвищується агресивність повітряного середовища як корозійного агента. Подвоєння забруднення атмосферного повітря в 1,5 рази скорочує термін служби устаткування, металоконструкцій. Наприклад, проводи зв'язку в сільській місцевості служать 40 – 60 років, тоді як у промислових містах – 3 – 4 років.
Сірководень (Н2S) – клітинна і ферментна отрута, у декілька разів більш токсичний, ніж діоксид сірки.
Свинець (Pb) і його сполуки – подавляють дію ферментів окислювально-відновних процесів, викликає злоякісні пухлини – канцероген (бластомоген) сприяє "розсіяному" склерозу, має мутагенну дію і негативний вплив на репродуктивну функцію людини. Відноситься до надзвичайно токсичних речовин, входить у так звану "велику трійку" – свинець, ртуть, кадмій.
По ступеню небезпеки (ДСТ 12.1.007-88) шкідливі речовини (ШР), які містяться в повітрі, поділяються на чотири класи.
Таблиця 1 – Класи небезпеки ШР у повітрі
| Клас | Назва | ГДК, мг/м3 | Летальна концентрація, мг/м3 | Приклади |
| Надзвичайно небезпечні | <0,1 | <500 | Ртуть, свинець, берилій, кадмій | |
| Високо небезпечні | 0,1 – 1 | 500 – 5000 | Оксиди азоту, сірководень, марганець, хлор | |
| Помірно небезпечні | 1,1 – 10 | 5001 – 50000 | Ацетон, діоксид сірки | |
| Мало небезпечні | >10 | >50000 | Аміак, бензин, скипидар, оксид вуглецю |
За санітарно-гігієнічними вимогами розрізняють шість груп ШР:
" загальнотоксичної дії: оксид вуглецю CO , синильна кислота (HCN), миш'як (As), свинець (Pb), ртуть (Hg), бензол, ацетон;
" подразнюючої дії: кислі гази, хлор (Сl2), аміак;
" сенсибілізуючої дії (алергени): формальдегід, розчинники, нітролаки, сполуки ртуті;
" канцерогенної дії: бензпірен, тетраетилсвинець ртуті, нікель і його сполуки , молібден, цинк , берилій, оксиди хрому, пил азбесту, свинець, аміни, бітуми, молібден, мазут;
" мутагенної дії (діють також в 1 – 3-му поколіннях): свинець, марганець, радій, уран, оксид етилену, гидроксиламін, формальдегід;
" репродуктивної дії: бензол, сірковуглець (СS2), свинець, сурьма, марганець, деякі з ядохімікатів.
По характеру впливу аэрозолей пилу розрізняють:
" фіброгенні – викликають силікози, металоконіози, ГДК = 1...6 мг/м3 (3-й - 4-й клас небезпеки);
" подразнюючі (3-й клас небезпеки);
" токсичні (1-й - 2-й клас небезпеки).
По розміру часток пилу поділяються на крупно дисперсні (більше 50 мкм), середньо дисперсні (50...10 мкм) і дрібнодисперсні (менше 10 мкм). Найбільш небезпечні дуже дрібнодисперсні менше 1 мкм із крючкоподібною, загостреною формою.
Для оцінки стану чистоти повітря (ГОСТ 12.1.005-88) встановлюють ГДК ШР. Це максимальна концентрація (мг/м3) ШР у повітрі, періодичний чи постійний цілодобовий вплив якої (прямо або опосредовано через екологічні системи) на організм людини, тварин і рослин не викликає ніяких відхилень у нормальному їхньому функціонуванні протягом усього життя цього і наступних поколінь. Для повітря робочої зони підприємств установлені ГДКрз, що значно перевищували ГДК ШР в атмосферному повітрі населеного пункту. Для останнього встановлені два нормативи:
" максимально разова ГДК – максимальна концентрація ШР в атмосферному повітрі від багатократних проб (ГОСТ 17.2.6.01-86);
" середньодобова ГДК – средньоарифметичне значення разових концентрацій.
Перший норматив моделює короткочасний (до 20 хв) вплив ШР на людину, другий – тривале.
Найбільша концентрація ШР у приземному шарі не повинна перевищувати максимально разову ГДК. При одночасній присутності в атмосферному повітрі декількох ШР, які мають сумарну дію (диоксид сірки й азоту; оксид вуглецю і диоксид азоту; ацетон і фенол; валеріанова, капронова і масляна кислоти; аэрозолі ванадієвого ангідриду та оксидів марганцю; оксид вуглецю, диоксид сірки і сірководень та ін.) повина виконуватись умова:
де С1, С2 …Сn – фактичні концентрації ШР в атмосферному повітрі, мг/м3.
Якщо в повітрі містяться декілька забруднюючих компонентів, наприклад SO2, CO і H2S, відомі концентрації SO2, H2S , то можна визначити максимальну безпечну концентрацію оксиду вуглецю:
Виходячи з ГДК можна вирішити задачу про можливий безпечний вміст ШР при даних розмірах приміщення. Наприклад, максимальний безпечний вміст берилію (ГДК = 10-3 мг/м3, 1-й клас небезпеки) у робочому приміщенні обсягом 30х10х4 = 1200 м3, складе 1,2 мг.
Якщо абсолютна кількість шкідливих викидів невелика і необхідна кількість розріджувача – чистого повітря – порівнянно зі шкідливими викидами, то викиди розбавляють до норми ГДК, після чого вони можуть бути викинуті в атмосферу. У цьому випадку потрібно визначити коефіцієнт розведення Кр :
де Ci – фактична концентрація ШР, мг/м3;
ГДКі – середньодобова ГДК.
Знаючи Кp, розраховують потрібний обсяг Vp чистого повітря:
(для розведення 1 м3 викиду).
Сумарний обсяг викиду з врахуванням розріджувача на одиницю об'єму первинного викиду:
У практичних розрахунках, необхідний обсяг розріджувача визначають з врахуванням обсягу первинного викиду V1:
.
Тоді сумарний обсяг викиду з врахуванням розведення буде:
.
Якщо у викиді є несколько шкідливих речовин, розрахунок ведуть так:
" визначають безрозмірну сумарну концентрацію:
" приймають Кр = q
" при Кр>1; Vp=Кр–1; Vp= V1(Kp–1); åV=V0·Kp
Поряд із ГДК важливе значення в забезпеченні чистоти повітряного басейну має регулювання і нормування гранично допустимих викидів (ГДВ). Встановлено нормативи для стаціонарних і пересувних джерел забруднення. Відповідно до ДСТ 17.2.1.01-87 викиди в атмосферу класифікують:
" за агрегатним станом – А (газоподібні), К (рідкі) і Т (тверді);
" за хімічним складом: диоксид сірки (01), оксид вуглецю (02), оксиди азоту (03), фтор і его сполуки (04), хлор (07), аміак (10), кислоти (20), луги (2I), сажа (23), метали і їх сполуки (24), пил (25), інші (26);
" за розміром частинок (мкм) – п'ять класів:
ü 1-й – менш 0,5;
ü 2-й – 0,5...3;
ü 3-й – 3...10;
ü 4-й – 10...50;
ü 5-й – 50 і більш.
" по масі речовини (кг/год) на чотири класи:
ü 1-й – менш 1;
ü 2-й – 1...10;
ü 3-й – 10...100;
ü 4-й – 100...1000.
Структура побудови умовної позначки викидів:
| Буквений індекс агрегатного стану А, К, Т | ||||
| Цифровий індекс хімічної речовини 01...26 | ||||
| Цифровий індекс розміру часток 1...5 | ||||
| Цифровий індекс маси речовини 1...4 |
Т.24.1.1 – в атмосферу викидаються металеві частки, розміром менш 0,5 мкм і масою менш 1 кг/год.
Припустимий вміст пилу у вентиляційних викидах підприємств (мг/м3) регламентують будівельні норми і правила /СНиПП-33-75/:
" при кількості повітря, що видаляється L > 15000 м3/год ,
;
" при L<15000 м3/год,
,
де L – об`єм повітря, що видаляється, м3/год;
K – коефіцієнт, який залежить від ГДК пилу в повітрі робочої зони виробничих приміщень:
| К | 0,3 | 0,6 | 0,8 | 1 |
| ГДК, мг/м3 | <2 | 2...4 | 4...6 | >6 |
Отже, за допомогою коефіцієнта К враховується токсичність пилу. У виняткових випадках (коли об'єктивно не можна установити ГДВ (тимчасово погоджених викидів (ТПВ), з терміном перегляду не рідше чим через кожні 5 років (ГОСТ 17.2.3.02-87). ТПВ вводяться в дію з дозволу Держкомприроди. МОЗ і Госкомгидромету України.
При розрахунках розсіювання шкідливих домішок в атмосфері визначають максимальну концентрацію ШР (по осі факелу)
де М – викид, г/с;
V – швидкість руху повітря, м/с;
Н – висота труби, м.
Крім цього, розраховують відстань Хм (м) від джерела викиду, де спостерігається максимальна концентрація, а також ГДВ.
Для контролю якості повітря передбачені три категорії постів спостереження:
" стаціонарний;
" маршрутний;
" пересувний (підфакельний).
Мінімальне число стаціонарних постів:
ü при 50 тис. населення – 1;
ü до 100 тис. – 2;
ü 200 тис. – 3;
ü до 500 тис. – 5;
ü до 1 млн. – 10;
ü до 2 млн. – 15
ü вище 2 млн. – 15...20.
Для оцінки забруднення атмосферного повітря ШР використовують три основні групи методів:
" лабораторні (аналітичні);
" експресні;
" автоматичні (найбільш перспективні).
Відповідно до вимог стандартів визначають вміст пилу, діоксида сірки, оксиду вуглецю, діоксида азоту і ряд специфічних речовин, властивих промисловим викидам даного населеного пункту.
Вміст пилу в повітрі визначають прямим та непрямим способом.
Прямий спосіб використовує гравіметричний метод визначення зважених часток пилу в повітрі (ГОСТ 17.2.4.05-87).
Непрямі способи – хроматографія, радіоізотопні, оптичні (фотометрія, нефелометрія), електрохімічні (кулонометрія, кондуктометрія), вони використовуються в системах автоматизованого спостереження і контролю НС – АНКОС-А.
Чутливість методів визначення в цьому випадку підвищується до 4·10-3 мкг речовини в пробі.
Для експресного аналізу застосовують універсальні газоаналізатори (УГ-2, ГХ-4 та ін.).
Останнім часом для оперативного контролю забруднення повітря великих міст застосовується лазерна локація як дистанційний метод у системі АСКЗ-А (автоматизовані системи контролю забруднення атмосфери). В основі методу лежить здатність забруднювачів розсіювати електромагнітні хвилі. Метод дає можливість визначати забруднення по висоті від 20...100 м до 40...50 км, а радіус лазерної локації складає декілька кілометрів (по горизонталі 3...10 км з одного посту), при концентрації забруднювачів 10-3...10 мг/м3.
Система спостереження, контролю, прогнозування і керування якості атмосферного повітря називається атмосферним моніторингом.