Методы измерения параметров состояния окружающей среды и экологических показателей транспортных объектов

План

Введение

1.         Методы оценки загрязнения газовых потоков

2.         Методы оценки параметрических загрязнений

3.         Методы оценки загрязнения водной среды, почв, грунтов и растительности

Список литературы

Введение

Количественная оценка промышленно-транспортных воздейст­вий на окружающую среду необходима для:

— определения значимости отдельных факторов и выявления со­ответствующих закономерностей;

— разработки эффективных механизмов управления природо­охранной деятельностью и рациональным использованием природ­ных ресурсов в промышленности и на транспорте.

Она осуществляется в результате мониторинга промышлен­но-транспортных объектов и окружающей среды, т.е. слежения за промышленно-транспортными объектами как источниками загряз­нений и изменением состояния окружающей природной среды, а также предупреждения о создающихся критических ситуациях, вред­ных или опасных для здоровья людей и других живых организмов.

Особенности мониторинга объектов промышленности и транс­порта, диктующие требования к измерительным приборам, обо­рудованию, программным средствам и расчетным методикам, связаны с:

— множественностью подвижных источников загрязнения пере­менной интенсивности выбросов во времени и в пространстве;

— распределенностью источников загрязнений на значительной площади территории;

— наличием большого числа параметров, которые необходимо измерять регулярно или непрерывно с высокой степенью достовер­ности.

В связи с этим возникают особые требования к конструкции приборов, использованию специальных методов измерений и оцен­ки экологически значимых показателей транспортных средств, ма­териалов, технико-эксплуатационного состояния инженерных сооружений, параметров состояния окружающей среды. Речь идет о создании комплексной системы мониторинга на основе аэрокос­мического зондирования и наземного оперативного сопровожде­ния с использованием стационарных и передвижных постов наблюдений.

Обязательным условием успешной работы такой системы явля­ется широкое использование специальных программных средств и математических методов обработки, анализа массивов текущей ин­формации о промышленно-транспортных объектах и изменении со­стояния окружающей среды, восстановления информации о харак­теристиках транспортных потоков, уровнях загрязнения воздуха, воды, почвы, растительности на значительной площади территории (до 1000 км²), используя в качестве исходных данных результаты из­мерений этих параметров в отдельных (репрезентативных) точках пространства. Эти методы и средства необходимы для визуализации и представления результатов мониторинга в форме, удобной для принятия эффективных управляющих решений.

1.         Методы оценки загрязнения газовых потоков

Для определения концентраций вредных примесей в атмосфер­ном воздухе вблизи автомагистралей и в отработавших газах двига­телей используются разные методы оценки, когда анализируются индивидуальные пробы газа, взятые дискретно и при непрерывных измерениях.

Основные требования к отбору проб газа и его анализу следую­щие:

—все части системы отбора должны быть инертны по отноше­нию к исследуемому компоненту;

—температура системы отбора проб должна поддерживаться на уровне, исключающем конденсацию паров или взаимодействие ком­понентов исследуемой газовой смеси друг с другом;

—объем пробы должен быть точно измеренным и достаточным для обеспечения требуемой точности измерений.

Автоматические приборы непрерывного действия используются для оперативного контроля уровня загрязнения атмосферного воз­духа вблизи интенсивных источников выбросов (объектов энергети­ки, автомагистралей, химических производств и др.). Для определе­ния токсичности автомобилей (двигателей) используют приборы анализа индивидуальных проб на определенном режиме работы дви­гателя или при испытаниях по ездовым циклам, а также приборы не­прерывного действия.

В газоаналитической аппаратуре реализуются следующие мето­ды измерений:

1.         Непосредственное измерение показателя, характеризующего вредное вещество, без изменения химического состава пробы газа.

Используются приборы, построенные на принципах избирательной абсорбции света в инфракрасной, ультрафиолетовой и видимой час­тях спектра, парамагнетизма, изменения плотности, теплопроводно­сти, показателя преломления света.

 2. Вредное вещество, подлежащее измерению, переводится путем химических реакций в состояние, обладающее свойствами, доступ­ными автоматическому измерению. Используются приборы фото­метрического, гальванометрического, потенциометрического, тер­мохимического принципов действия.

В конструкциях наиболее распространенных анализаторов раз­личных газов используются разнообразные методы (табл.1).

Таблица 1. Методы анализа загрязнения воздуха

Метод анализа	Вещество
Абсорбционный метод спектрального анализа (инфракрасная и ультрафиолетовая области спек­тра) Пламенно-ионизационный Хемилюминесцентный Флуоресцентный, пламенно-фотометрический Радиометрический, гравиметрический Электрохимический	СО, О3 Углеводороды, органические вещества NO, NO2, О3 SO2, H2S Пыль СО, SO2,H2S

Абсорбционный метод спектрального анализа газов основан на свойстве веществ избирательно поглощать часть проходящего через них электромагнитного излучения. Специфичность спектра погло­щения позволяет качественно определять состав газовых смесей, а его интенсивность связана с количеством поглощающего энергию вещества. Каждому газу присуща своя область длин волн поглоще­ния. Это обусловливает возможность избирательного анализа газов.

Сущность метода заключается в следующем: если поочередно (путем обтюрации) пропускать поток монохроматического инфра­красного (ИК) излучения, образованный после прохождения им ин­терференционного фильтра, через кювету с используемой газовой смесью и без нее, то на приемнике ИК-излучения будет регистриро­ваться переменный сигнал, который несет информацию о количест­ве ИК-энергии, поглощенной анализируемым газом с частотой об­тюрации и, следовательно, о концентрации анализируемого газа. Анализаторами этого типа производится в частности оценка кон­центрации СО в атмосферном воздухе.

Недисперсионные оптико-акустические (инфракрасные) газоана­лизаторы широко применяются при контроле содержания СО, про­пана СзH₈, гексана С₆H₁₄ в отработавших газах бензиновых двигате­лей при работе на холостом ходу и под нагрузкой. Разработаны и комбинированные приборы для одновременного определения содержания суммарных углеводородов, СО в отработавших газах и частоты вращения коленчатого вала в двигателях автомобилей и мотоциклов.

В энергетике используются газоанализаторы, в которых для оценки концентраций газовых примесей вместо инфракрасных излу­чателей используются ультрафиолетовые.

Здесь концентрации примесей также определяются по спектру поглощения. При прохождении светового луча через газовую среду часть его энергии поглощается или рассеивается. Молекула опреде­ленного вещества (SO₂, NO, NO₃, NH₃) поглощает энергию в своем специфическом диапазоне длин волн. Измерение концентраций в ав­томатическом режиме рассматриваемых веществ происходит одно­временно без сложной процедуры сканирования спектра.

Электрохимический метод газового анализа основан на исполь­зовании химических сенсорных датчиков, состоящих из двух чувст­вительных элементов и определенного химического покрытия, которое непосредственно контактирует с анализируемой средой и на котором происходит адсорбция анализируемого вещества. В за­висимости от того, какие физические свойства, зависящие от коли­чества адсорбированного вещества, измеряются, датчики делятся на потенциометрические, кулонометрические, полярографические и др.

Электрохимические газоанализаторы отличаются сравнитель­ной простотой, низкой чувствительностью к механическим воздей­ствиям, малыми габаритами и массой, незначительным энергопо­треблением.

Пламенно-ионизационные газоанализаторы используются для из­мерения суммарной концентрации углеводородов различных клас­сов, контроль которых избирательными методами анализа весьма сложен. Они обеспечивают надежное измерение в диапазоне концен­траций 10—10 000 млн-¹, отличаются высокой чувствительностью (до 0,001 млн¹) и малой инерционностью. Позволяют раздельно оп­ределять содержание метана и реакционноспособных углеводоро­дов, образующих в атмосфере фотохимический смог.

Метод основан на ионизации углеводородов в водородном пламени. В чистом водородном пламени содержание ионов не­значительно. При введении углеводородов в пламя количество об­разующихся ионов значительно возрастает и под действием прило­женного электрического поля между коллектором и горелкой возникает ионизационный ток, пропорциональный содержанию уг­леводородов. Некоторые из газоанализаторов данного типа имеют встроенный генератор водорода, что позволяет отказаться от внеш­них источников этого газа — газогенераторов или баллонов с водо­родом.

Хемилюминесцентный метод газового анализа применяется для измерения концентраций NO_x, О₃ и основан на реакции этих компо­нентов, подающихся одновременно в реакционную камеру, которая имеет вид:

NO+O₃→ NO₂ (NO₂')+O₂

Возбужденная молекула NO₂ ' (образуется 5—10% от общего ко­личества молекул NO2) отдает избыток энергии в виде излучения (в диапазоне волн длиной 600—2400 нм, с максимумом при 1200 нм)

NO₂^' → hv+NO₂

Интенсивность излучения, измеряемого фотоумножителем, про­порциональна концентрации оксидов азота. Озон получают в гене­раторах в результате воздействия тлеющего разряда или ультрафио­летового излучения на кислородсодержащую смесь (воздух).

Для определения концентрации Оз в атмосфере используют ре­акцию озона с органическим красителем на поверхности активиро­ванного вещества, при которой также наблюдается хемилюминесценция.

Кроме того, используют в качестве газа-реагента этилен высо­кой степени очистки. Под действием ультрафиолетового излучения озон вступает в реакцию с этиленом, которая сопровождается лю­минесцентным излучением в области длин волн 330—650 нм. Газоанализаторы этого типа отличаются высокой чувствительностью и селективностью, а при наличии встроенного озонатора, высоким уровнем автоматизации и длительным сроком автономной работы без обслуживания.

Метод ультрафиолетовой флуоресценции используется в прибо­рах для контроля SO₂ и H₂S. Явление флуоресценции заключается в способности определенных веществ излучать свет под воздействием излучения источника возбуждения.

Для молекул SO₂ это облучение пробы газа светом в области длин волн 200—500 нм (максимум при 350 нм), когда эти молекулы переходят из возбужденного состояния в нормальное, разряжаясь частично через флуоресценцию.

Интенсивность излучения, пропорциональная содержанию SO₂, регистрируется фотоумножителем. Включение в состав прибора конвертора, обеспечивающего каталитическое окисление сероводо­рода до диоксида серы, позволяет создать аппаратуру для одновре­менного контроля в газовой смеси этих веществ.

Преимущество указанного метода по сравнению с методом пла­менной фотометрии в отсутствии вспомогательных газов.

Гравиметрический (весовой) метод — традиционный метод опре­деления концентрации твердых частиц в газовых смесях, связанный с отбором пробы, пропусканием ее через фильтр, взвешиванием фильтра или определением его степени черноты по эталону. Этот метод реализован в дымомерах, которые используются для опреде­ления дымности отработавших газов дизелей.

Необходимость непрерывного контроля содержания твердых частиц в отработавших газах двигателей или атмосферном воздухе привела к широкому распространению оптических, радиоизотоп­ных методов анализа. Оптический метод анализа (рис. 6.2) основан на измерении ослабления излучения твердыми частицами при про­хождении луча света через измерительный канал определенной длины.

Метод используется для качественной оценки содержания частиц на выходе из двигателей, горелочных устройств, очи­стных сооружений (в единицах оптиче­ской плотности газового потока при просвечивании его заданной толщины с замером на фотоэлементе степени погло­щения света).

Например, автомобильный дымомер типа «Хартридж» имеет шкалу, разделенную на 100 единиц. За единицу принята степень ослабления интенсивности светового потока на 1%. Но количественное определение содержания частиц этим методом неэффективно, так как на измерение существенное влияние оказывают цветность и дис­персность частиц. Поэтому погрешность оценки концентраций может достигать десятки процентов.

Широкое распространение получил радиоизотопный метод, ли­шенный этого недостатка и основанный на ослаблении β-излучения частицами. Концентрация твердых частиц (пыли) вычисляется по результатам измерений на фильтре (лента из стекловолокна) до и после нанесения пробы. Лента транспортируется в детекторный блок, где расположен радиоизотопный источник, и производится замер.

Хроматографический метод широко распространен и основан на использовании свойства разделения сложных смесей на хроматографической колонке, заполненной сорбентом.

Проба газа вводится в поток соответствующего газа-носителя простейшей форсункой и вместе с ним пропускается через колонки с твердыми адсорбирующими поверхностями (адсорбционная газо­вая хроматография), или с нанесенными на твердые поверхности нелетучими жидкостями (газожидкостная хроматография). Отдель­ные компоненты смеси с различными скоростями перемещаются в колонке, выходят из нее раздельными фракциями и регистрируются.

Газ-носитель, транспортирующий молекулы исследуемой газо­вой смеси, протекает с постоянной скоростью. Колонки, по кото­рым проходит газ, калибруются для того, чтобы установить время прохождения того или иного компонента. Соответствующий детек­тор используется для обнаружения или определения количества то­го или иного компонента смеси. Количественная оценка осуществ­ляется по интенсивности сигнала детектора или с помощью электронных интеграторов. Этим методом могут регистрироваться химически однородные вещества (индивидуальные углеводороды) со слабо выраженной качественной реакцией (N₂O, СО), которые идентифицируются по специфичному времени удерживания.

Важнейшая часть газового хроматографа — детектор. В прибо­рах, предназначенных для измерений загрязнения атмосферного воздуха, получили распространение следующие виды этих датчиков:

—пламенно-ионизационный детектор, который реагирует прак­тически на все органические соединения, включая бензол, толуол, ксилол, фенол, формальдегид;

—электронно-захватный детектор — чувствителен к хлорсодержащим веществам;

—фотоионизационный детектор используется для контроля ор­ганических соединений и неорганических веществ (NH₃, H₂S, РНз);

—детектор по теплопроводности используется для контроля продуктов горения (СО, СО₂, H₂, SO₂).

В связи с внедрением современных средств электроники и ми­ниатюризацией аналитической части хроматографов созданы пор­тативные (переносные) приборы для осуществления газового анализа в полевых условиях (передвижные лаборатории на транс­портных средствах). Наибольший интерес представляют переносные газовые хроматографы, запрограммированные для иденти­фикации определенных компонентов газовой смеси. Результаты выражаются непосредственно в концентрации контролируемого вещества.

Лидарная система контроля загрязнения реализует лазерно-локационный метод - комбинационное рассеяние и дифференциальное поглощение загрязняющих веществ с использованием источника ла­зерного излучения и предназначена для дистанционного зондирова­ния качества атмосферы. Состоит из лидара кругового обзора, ко­торый устанавливается в промышленных зонах или вблизи автомагистралей на доминирующих строениях, и предназначен для непрерывного контроля выбросов аэрозолей, NO_x, SO₂ на террито­рии радиусом 7—15 км и измерения азимута и расстояния до источ­ника загрязнения. Лидар второго типа на базе автомобиля — ком­бинационного рассеяния используется для многокомпонентного анализа концентрации примесей в воздухе.

 

2.         Методы оценки параметрических загрязнений

Измерение уровня шума производят с помощью шумомеров как с присоединением к ним октавных фильтров (анализаторов спектра), так и без них.

Шумомеры состоят из датчика (микрофона или акселерометра), воспринимающего звуковое давление, усилителя и выходного звена, представляющего собой стрелочный индикатор, градуированный непосредственно в децибелах.

Наибольшие требования предъявляются к датчикам. Они долж­ны иметь широкий рабочий диапазон частот, обладать высокой и стабильной чувствительностью, не искажать воспринимаемое звуко­вое поле, иметь небольшие габариты и массу. Датчики бывают электродинамические, керамические, конденсаторные, пьезоэлек­трические.

Шумомеры измеряют суммарные уровни интенсивности звука в четырех частотных характеристиках: А, В, С и линейной в диапазо­не частот 2—40 000 Гц. Анализатор спектра шума — усилитель, ко­торый в зависимости от настройки позволяет выделять определен­ную полосу частот. Он устанавливает не абсолютные уровни интенсивности шума в этих полосах частот, а их соотношение, что позволяет определить полосу с максимальной энергией (интенсив­ностью шума).

Анализаторы спектра шума бывают фильтровые и гетерогенные. Фильтровые состоят из набора электрических фильтров, каждый из которых пропускает определенную полосу частот. В гетерогенных анализаторах получение определенной полосы пропускания обеспе­чивается с помощью узкополосных кварцевых фильтров. Регистра­ция уровней шума может осуществляться также с помощью само­писца, магнитографа, магнитофона.

3.         Методы оценки загрязнения водной среды, почв, грунтов и растительности

Для оценки уровня загрязнения водной среды используются тра­диционные приборы физико-химического анализа, а также хроматографы. Контролируется мутность, цвет, запах, жесткость, удель­ная электрическая проводимость, коэффициент светопропускания, редокс-потенциал, активность водородных ионов (рН), уровень на­сыщения кислородом, активность и концентрация ионов различных веществ, поступающих в воду в виде загрязнений, и другие парамет­ры (температура, давление, скорость потока).

Химический анализ воды осуществляется с помощью лаборатор­ных комплектов анализа воды. В эти комплекты входят химические растворы, фарфоровая и стеклянная посуда, вспомогательное обо­рудование, необходимое для сбора и обработки проб, выполнения химического анализа. Физико-химические свойства воды определя­ются с использованием фотоколориметров, атомно-абсорбционных, инфракрасных, калориметрических спектрометров, ионометров, комплексных анализаторов качества воды.

Для контроля состояния поверхности земель, качественного и количественного состава почв и грунтов, оценки уровня и состава загрязнений используются приборы и оборудование, приведенные выше (анализ водной вытяжки грунта), а также ряд специальных приборов, предназначенных для определения плотности, свойств почв, грунтов (твердомер, глубинный гамма-плотномер, сдвиговый прибор, измеритель объемной влажности), параметров снегового покрова. Широко используется переносной лабораторный ком­плект определения гидрофизических и физико-механических свойств грунтов.

Седиментация атмосферных транспортных аэрозолей, в частно­сти тяжелых металлов, приводит к загрязнению растительности. Наземные части растений аккумулируют атмосферные загрязнения, и их химический состав может быть индикатором для выделения территорий с высоким уровнем воздействия транспортных средств.

Измеряемые параметры:

— физиологическое состояние растений;

— элементный состав тканей растения.

Визуальная оценка загрязнения — проявление чрезмерного (вы­ше установленных норм) содержания различных веществ в зеленой массе строится на идентификации явно выраженных изменений вида растений:

—медь — темно-зеленые листья, толстые короткие корни;

—железо — темно-зеленая окраска листьев, замедленный рост надземных частей растения;

—цинк — хлороз и некроз концов листьев, междужилковый хлороз молодых листьев;

—свинец — темно-зеленые листья, бурые короткие корни, скру­чивание старых листьев;

—кадмий — бурые края листьев, красноватые жилки и черешки, скрученные листья и бурые недоразвитые корни.

Определение концентрации токсичных элементов в тканях расте­ний осуществляется по водной вытяжке в лабораторных условиях методами, рассмотренными выше.

Список литературы

1.         Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, Ю.В. Трофименко; Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. Шк., 2003

2.         Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Общий курс. В 2-х т. / Под ред. И.И. Мазура. – М.: Высшая школа, 1996.

3.         Богдановский Г.А. Химическая экология: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 1994.