4. Сравнить качества воздуха в салонах автомобилей отечественного зарубежного производства;

5. Предложить способы улучшения качества воздуха в салоне АТС.

Глава 1. История развития проблемы загрязнения окружающей среды автотранспортом

1.1 Анализ загрязнения окружающей среды автотранспортом в мире

В последние годы проблема загрязнения воздуха автотранспортом в городах большинства стран мира принимает угрожающий характер (Владимиров, 2007).

Одним из элементов автотранспортного комплекса (АТК) является непрерывно растущий автомобильный парк: в настоящее время в мире эксплуатируется более 800 млн. автомобилей, в Европе - свыше 100 млн., в России - 33,4 млн. Из них 83-85 % составляют легковые автомобили и 15-17 % - грузовые и автобусы. Ежегодное производство легковых автомобилей в мире за последние 50 лет увеличилось в 5,5 раза и, например, в 2002 г. составило 60 млн. ед., в том числе в странах ЕС - 16,9 млн. При этом рост объемов выпуска АТС продолжается. В результате они ежегодно потребляют 2,1 млрд. т топлива и выбрасывают в атмосферу ~700 млн. т вредных веществ, т.е.1,3 т/год на один среднестатистический автомобиль. Поэтому и доля автомобильного транспорта в общем загрязнении атмосферы в развитых странах достигала в среднем 45-50 %, России - 40, городах - 50-60, мегаполисах - до 85-90 %. А если взять загрязнения, вносимые всеми видами транспорта, то они у нас распределяются следующим образом: автомобильный - 85,0 %, морской и речной - 5,3, воздушный - 3,7, железнодорожный - 3,5, сельскохозяйственный - 2,5 %. Вторым элементом АТК является производственно-техническая база (ПТБ), включающая в себя: грузовые терминалы; автовокзалы; автозаправочные станции; автостоянки; гаражно-строительные кооперативы; автомойки; автотранспортные предприятия; станции технического обслуживания автомобилей и другие технические объекты, предназначенные для погрузочно-разгрузочных работ, перевозки пассажиров, заправки, хранения, мойки, технического обслуживании и ремонта АТС. Третий элемент АТК - автомобильные дороги, представляющие собой один из важнейших объектов транспортно-коммуникационной инфраструктуры (Ясенков, 2007).

Россия присоединилась к Женевскому соглашению и обязана выполнять Европейские нормативы по выбросу вредных веществ автотранспортом, которые периодически ужесточаются (Стокгольмская конвенция, 2002). Истощение природных энергоресурсов, связанное с постоянным ростом мирового автомобильного парка, делает актуальной проблему создания экологически безопасных энергетических установок автотранспортных средств (Быков и др., 2008).

В Европе в рамках Женевского соглашения в 1970 г. приняты правила 15 и 40 Европейской экономической комиссии ООН, в которых нормировались выбросы оксида углерода и углеводородов с отработавшими газами (ОГ) автомобилей массой до 3,5 т соответственно (Стокгольмская конвенция, 2002).

Автомобильный транспорт эксплуатируется в различных климатических условиях, оказывающих большое влияние на его экологические показатели. Исследования, проведенные в США и европейских странах, показали, что выброс оксида углерода и углеводородов при эксплуатации автомобилей с искровым зажиганием при минусовых температурах увеличивается в 6-10 раз (Звонов и др., 2001). Поэтому в США и Канаде введено нормирование выбросов оксида углерода при отрицательной температуре предварительно охлажденного до - 7 ⁰С автомобиля. Автомобили, не удовлетворяющие этим нормам, облагаются дополнительным налогом (Быков и др., 2008). В странах ЕС постоянно ужесточаются требования к содержанию в автомобильных бензинах серы, бензола, вводятся нормы на содержание олефиновых и ароматических углеводородов, обязательно применение моющих присадок (табл.1) (Карпов, 2006).

Таблица 1

Требования к бензинам в странах ЕС (по данным Карпова, 2006)

Благодаря улучшению экологических показателей автомобильных бензинов, изменению углеводородного состава, введению оксигенатов, моющих присадок и т.д. на 30-40 % сокращается содержание токсичных веществ в ОГ. Использование бензинов с улучшенными экологическими показателями позволяет повысить динамические характеристики автомобильного двигателя, значительно увеличить его ресурс и на 2-4 % снизить расход горючего (Карпов, 2006).

Без применения специальных устройств очистки (фильтров, нейтрализаторов и др.) при использовании EURO топлива можно достичь значительного снижения выбросов твердых частиц и СО. Существенно снижаются выбросы СО₂ (почти в 2 раза). Очевидно, что снижение выбросов сажи может снизить выбросы и наиболее токсичных компонентов, таких, как бенз (а) пирен, количественный выход которого связывают с повышенным содержанием сажи в ОГ транспортных дизелей (Алексеенко и др., 2008).

В России расчет выбросов загрязняющих веществ транспортными потоками при движении автомобилей по городским магистралям проводится в соответствии с требованиями "Методики расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях.М., 1996", утвержденной Министерством охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ и Министерством транспорта РФ. Методика основана на требованиях ОНД - 86 (Миляев и др., 2008).

Выбросы углеводородов, поступающие в атмосферный воздух от дизельных автомобилей, нормируются по керосину, от карбюраторных автомобилей - по бензину, от газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, - по метану (Миляев и др., 2008).

Согласно ст.22 Федерального закона № 96 "Об охране атмосферного воздуха" установлена обязательность инвентаризации выбросов вредных веществ и их источников, результаты которой являются базовой основой работ и по нормированию выбросов, и по всей воздухоохранной деятельности (ФЗ № 96, 1999).

Истощение мировых запасов нефти и повышение цен на традиционные моторные топлива вынуждают двигателестроителей искать им замену. К этому же подталкивает и постоянно ужесточающиеся требования к токсичности отработавших газов двигателей. В итоге все чаще стали применять так называемые альтернативные топлива - сжатый и сжиженный газы; топлива, получаемые из природного газа, угля и, что самое главное, из возобновляемых источников энергии. Не случайно ЕЭК ООН уже приняла резолюцию о переводе к 2020 г.23 % европейского автотранспорта именно на альтернативные топлива, в том числе 10 % - на природный газ, 8 - на биогаз и 5 % - на водород (Марков и др., 2006).

Для описания истории топлива применяется концепция "от источника до колеса" (well-to-wheel). Топливная цепь состоит из пяти стадий: выращивание сырья, его транспортировка, производство топлива, его распространение и, наконец, использование в автомобиле (Ahlvik, 2001).

Загрязнение окружающей среды выбросами энергетических установок и транспорта диктует необходимость перехода на новый вид теплоносителя - водород. Одно из направлений развития экологичной водородной энергетики - комбинированное производство водорода на пылеугольных ТЭС. При этом в топливно-энергетический баланс дополнительно вводится уголь. В качестве топлива может применяться неочищенный водород, например, из коксовых печей, где водород содержит примеси метана. Предполагается в будущем устанавливать водородные двигатели на судах, грузовых автомобилях, автобусах (Молчанов, 2006).

Биотопливо в настоящее время разделяется на две категории: этанол, который совместим с бензиновыми двигателями, и биодизельное топливо, которое совместимо с дизельными двигателями на нефтяной основе. Многие виды растений могут давать подходящие для биотоплива урожаи. Этанол в настоящее время изготовляется из двух основных видов исходного сырья: исходного сырья на основе крахмала, такого как кукуруза, зерновые, пшеница, ячмень и сорго обыкновенное; и исходного сырья на основе сахара, такого как сахарный тростник, сахарная свекла, фрукты, цитрусовая меласса и сорго сахарное. Биодизельное топливо имеет более разнообразные виды исходного сырья, чем этанол. Оно получается из масличных культур, главным образом рапса, подсолнечника, сои и пальмового масла, а также животных жиров и отходов растительного происхождения (Потапов и др., 2008).

Экологически благоприятным свойством биодизеля является его высокая биоразлагаемость. С экологической точки зрения, самое большое препятствие для использования биодизеля - это заметное увеличение выхлопов NO_x при не очень существенном сокращении выбросов других компонентов. Исключением является CO₂, по отношению к которому биотопливо считается нейтральным, то есть эти газы находятся на балансе природных процессов: они поглотятся растениями и снова превратятся в растительное сырье (Хохотва, 2008).

Этанол несовместим с некоторыми материалами (пластики, эластомеры, металлы, например, сталь, алюминий и магний), используемыми в двигателях. Его агрессивность по отношению к металлам значительно возрастает в присутствии примеси воды (Thuijl, 2003).

Этанол подвергается биоразложению, поэтому не представляет особой опасности с точки зрения загрязнения воды и почвы в случае проливов (Хохотва, 2008).

Достижение поставленных целей по снижению выброса диоксида углерода требует совершенствования конструкции автомобиля с целью снижения расхода топлива, а также применения альтернативных топлив. Основная роль в снижении выбросов CO₂ отводится повышению топливной экономичности автомобилей. Вторым по значимости для снижения выбросов CO2 можно назвать направление применения биотоплив. В настоящее время рассматривают классификацию биотоплив, представленную в табл.2 (Кутенев, Козлов и др., 2010).

Таблица 2

Современная классификация биотоплива (по данным Кутенева, Козлова и др., 2010)

Таким образом, примерно 80-90 % топлива в мире используется в коммерческих целях на основе близких технологий. Тем не менее, экологические показатели процесса использования топлива для разных стран могут различаться более чем на порядок (Веденяпина и др., 2008).

Проблема утилизации изношенной автомобильной техники имеет неодинаковую приоритетность в промышленно-экологической политике различных стран мира. Если, скажем, Россия на переходном этапе к рыночным отношениям склонна эту проблему не признавать в качестве первоочередной, то, к примеру, Япония уже не может пренебрежительно относиться к ней и должна придать (и придает) ей надлежащую приоритетность. Но наиболее серьезно решают ее в странах ЕС и, в частности, в Германии, где практически каждая семья имеет один или несколько автомобилей и меняет их в среднем через 5-12 лет. В итоге из эксплуатации ежегодно выводится 2,5 млн. только легковых АТС, которые дают 5 млн. т отходов, реализуемых в соответствии с решением властей, принятым в 1998г., в формах, не вредящих окружающей среде и подлежащих повторному полезному использованию. Одновременно здесь действует и постановление о порядке сдачи непригодных машин на утилизацию, в соответствии с которым работает специализированное объединение, включающее 16 головных предприятий по бесплатному приему автомобилей со сроком эксплуатации до 12 лет (Погосян, 2005).

Воздействия, оказываемые на окружающую среду автомобилями, вышедшими из эксплуатации и неутилизированными, очень разнообразны и разнородны по своей природе (Грачев, 2006). Составляющие автомобиль материалы загрязняют атмосферный воздух, почву и воду. Это, в свою очередь, приводит к токсическому воздействию на человека и экосистемы, изменению климата, эвтрофикации (загрязнению водоёмов водорослями), неприятному запаху и т.д. С другой стороны, автомобиль, вышедший из эксплуатации, а также отходы от автотранспортного комплекса являются источником вторичных ресурсов. Неиспользование этих материалов ведет к истощению абиотических ресурсов (руды, нефти, природного газа, других полезных ископаемых), истощению биотических ресурсов (ресурсов растительного и животного происхождения - дерево, бумага, картон, натуральная кожа), истощению почвы, а также к выводу почвы из сельскохозяйственного обращения из-за организации свалок (Кисуленко и др., 2009).

1.2 Анализ загрязнения окружающей среды автотранспортом в России

Для России экологические проблемы автомобильного транспорта стали особенно актуальными в последнее десятилетие. В 1998 году автомобильный парк России составил уже 23,7 млн. машин. Особенно напряженной экологическая обстановка оказалась в Москве, где автомобильный парк возрос вдвое по сравнению с 1990 по 1995 гг. он ежегодно увеличивался на 143,2 тыс. единиц. Число грузовых автомобилей за этот период возросло с 79,1 до 157,0 тыс., а автобусов - с 22,0 до 32,8 тыс. (Егоров и др., 2006).

Основными причинами загрязнения атмосферного воздуха выбросами от автотранспорта являются:

· низкая пропускная способность городской дорожной сети;

· невысокое качество дорожного покрытия;

· высокая концентрация автотранспортных предприятий и гаражных боксов в жилой застройке;

· загруженность центральных дорог;

· высокий процент неисправных автотранспортных единиц;

· доминирование низкосортных видов жидкого топлива;

· плохое состояние технического обслуживания автомобилей;

· низкое качество применяемого топлива;

· неразвитость системы управления транспортными потоками;

· низкий процент использования экологически чистых видов транспорта (Куров, 2000).

В России загрязнениям от воздействия автомобильного комплекса (АК) подвержены более 15 млн. га земель. Кроме того, проблемой является захоронение или утилизация как отходов производства автомобилей, так и их самих после вывода из эксплуатации (Чижиков, 2006).

На изготовление автомобилей, запасных частей к ним и производство конструкционных и эксплуатационных материалов расходуется 20 % производимых в мире черных металлов, 7 - меди, 13 - никеля, 35 - цинка, 50 - свинца, 50 % - натурального каучука и т.д. В итоге для изготовления 1 т элементов, деталей и узлов, используемых в автомобиле, перерабатывается 150 т природного вещества, т.е. из каждой 1 т последнего в автомобиле остается 0,7 %. Остальные 99,3 % тратятся впустую. Но их добыча и переработка оказывают значительные (даже больше, чем автомобиль) негативные экологические последствия. А ведь автомобилестроение, по расчетам, потребляет 10 % добытых и переработанных материалов. Значит, на его долю приходится и столько же загрязнений от стационарных промышленных источников. То есть в процессе производства автомобиля загрязнений получается в 2 раза больше, чем в процессе эксплуатации (Намаконов, 2005).

Эксплуатируемые в стране автомобили не соответствуют современным европейским ограничениям по токсичности и выбрасывают вредных веществ существенно больше чем зарубежные аналоги. Существует несколько наиболее важных причин отставания России в этой сфере:

низкая культура эксплуатации автомобилей. Количество неисправных автомобилей, находящихся в эксплуатации до сих пор весьма велико даже в Москве;

отсутствие жестких законодательных требований к экологическим качествам автомобилей. С начала 90-х годов стандарты, сохранившиеся в течение 10 лет почти без изменений, начали существенно отставать от европейских норм. В отсутствие достаточно жестких требований по токсичности выбросов, потребитель не заинтересован покупать экологически более чистые, но при этом более дорогие автомобили, а производитель не склонен их выпускать;

неподготовленность инфраструктуры эксплуатации автомобилей, оборудованных в соответствии с современными экологическими требованиями;

в отличие от европейских стран, у нас в стране до сих пор затруднено внедрение нейтрализаторов (устройства, используемые для нейтрализации отработавших газов двигателя автомобиля) (Энциклопедический словарь-справочник, 1999).

Основной принцип экологической безопасности, реализуемый на уровне государственной политики, заключается в минимизации количества израсходованного автомобильного топлива. Добиться этого можно тремя способами:

· разумно и сознательно сокращая пробег автомобиля;

· улучшая техническое состояние машины и экологические показатели работы двигателя;

· рационально управляя автомобилем на улицах и дорогах (Мягков, 2006).

За последние годы проблема сбора и утилизации отслуживших автомобилей и изношенных компонентов становится все более актуальной для многих регионов России. По данным ГИБДД в 2008 году парк легковых автомобилей в России превысил 30 млн. единиц, в том числе иномарок - 11,2 млн. единиц, и продолжает динамично расти. Больше всего автомобилей зарегистрировано в Москве - 3,5 млн., или 333 автомобиля на тысячу жителей. Отслужившие автомобили, кузова, изношенные и поврежденные автомобильные компоненты бросаются во дворах домов, в пустынных местах, на неорганизованных свалках, загрязняя городские территории и природные ландшафты. При выполнении работ, связанных с ремонтом, техобслуживанием, мойкой автомобилей происходит накопление изношенных деталей: шин, аккумуляторных батарей, стекла, металлических и полимерных изделий, отработанного масла и других эксплуатационных жидкостей. Эти детали и материалы обычно просто вывозятся на свалки, хотя такие отходы содержат большое количество вредных веществ, загрязняют почву и оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Основными причинами такого положения являются следующие:

отсутствие у автовладельцев заинтересованности сдавать отслужившие автомобили и изношенные автомобильные компоненты на утилизацию;

отсутствие документального подтверждения утилизации (сертификата об утилизации) для снятия автомобиля с учета;

отсутствие у промышленных предприятий заинтересованности собирать и перерабатывать отслужившие автомобили, кузова и автомобильные компоненты;

атмосферный воздух загрязнение вещество

отсутствие в России и субъектах Федерации нормативно-правовой базы, стимулирующей и организующей работу системы по сбору и переработке отслуживших автомобилей и автомобильных компонентов (система авторециклинга);

отсутствие инфраструктуры авторециклинга (Петров, 2009).

Разработка обоснования отнесения вышедшего из эксплуатации автомобиля к классу опасности для окружающей среды является очень трудоемким процессом, требующим нестандартного подхода. В настоящее время эта проблема является новой, актуальной, подлежащей незамедлительному решению в связи с тем, что в марте в России стартовала программа, предусматривающая стимулирование покупки новых авто взамен вышедших из эксплуатации и сдаваемых на утилизацию. В таблице 3 представлены компоненты вышедшего из эксплуатации автомобиля (Мишанина и др., 2010).

Таблица 3

Компоненты вышедшего из эксплуатации автомобиля как отхода (по данным Мишаниной и др., 2010)

Класс опасности вышедшего из эксплуатации автомобиля как отхода - III класс опасности (Мишанина и др., 2010).

1.3 Анализ загрязнения окружающей среды автотранспортом в Республике Башкортостан

Автомобильный транспорт занимает важное место в единой транспортной системе Республики Башкортостан. Автомобильный транспорт сыграл огромную роль в формировании современного характера расселения людей, в территориальной децентрализации промышленности и среды обслуживания. В то же время он вызвал и многие отрицательные явления: ежегодно с отработавшими газами в атмосферу поступают вредные вещества; автомобиль - один из главных факторов шумового загрязнения; дорожная сеть, особенно вблизи городских агломераций, "съедает" ценные сельскохозяйственные земли (Государственный доклад, 2010).

Наметившаяся тенденция к увеличению составляющей автотранспортных средств в общем объеме вредных выбросов не только сохраняется, но и существенно возрастает. Так, за период 1998-2008 гг. вклад автотранспорта в загрязнение атмосферного воздуха вырос в целом по республике с 49,3 до 63 %. В крупных городах республики с развитой промышленностью доля выбросов от автотранспорта соизмерима с выбросами от промышленных предприятий: в Уфе она достигает 62%, в Стерлитамаке - 49%, в Салавате - 44% (Государственный доклад, 2009).

По данным Управления ГИБДД МВД по РБ на начало 2009 года на территории республики насчитывалось в собственности юридических лиц и граждан 1226 тыс. единиц автомототранспортных средств, что на 78 тыс. (6,4%) больше, чем в 2007 году (Государственный доклад, 2009).

По данным Управления ГИБДД МВД по РБ на начало 2010 года в собственности юридических лиц и граждан насчитывалось более 1206 тыс. автомототранспортных средств, включая более 950 тыс. легковых автомобилей, 114 тыс. грузовых автомобилей и 21 тыс. автобусов. Мировой финансовый кризис оказал определенное негативное влияние на развитие автомобильного парка РБ - количество автотранспорта увеличилось незначительно - на 0,5%. Деятельность транспорта в 2009 году характеризовалась уменьшением объема перевозок грузов, в связи с чем объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух снизился на 8 % и составил 656,2 тыс. т. (Государственный доклад, 2010).

Низкий уровень экологических характеристик эксплуатируемого в республике автотранспорта обусловлен следующими причинами:

· Подавляющая часть отечественных моделей АТС сертифицирована на соответствие требованиям, действовавшим в Европе до 1992 года, а весьма значительная часть автопарка вообще не проходила сертификации;

· Только незначительная часть отечественных автомобилей оснащена каталитическими нейтрализаторами;

· Низкая конструктивная надежность производимых в России автомобилей и неудовлетворительное техническое обслуживание, некачественный ремонт и. зачастую, неэффективный экологический контроль приводят к быстрому росту выбросов в процессе их эксплуатации;

· Плохие дорожные и сложные климатические условия приводят к ускоренному износу узлов и агрегатов автомобилей и увеличению выбросов (Минигазимов и др., 2004).

Поступление в атмосферный воздух загрязняющих веществ от автомототранспортных средств составило: оксида углерода - 506, 2 тыс. т., или 87 % объема валового выброса СО по республике, летучих органических соединений - 89,6 тыс. т., или 46 % объема валового выброса ЛОС по республике, оксидов азота - 46, 7 тыс. т., или 53 % объема валового выброса NO_x по республике, твердых веществ - 5,3 тыс. т., или 18 % объема валового выброса твердых веществ по республике, сернистого ангидрида - 8,4 тыс. т., или 13 % объема валового выброса SO₂ по республике (Государственный доклад, 2010).

Таким образом, проблема загрязнения атмосферного воздуха выбросами от автотранспорта, а также проблема загрязнения салонов АТС вредными веществами стоит очень остро.

Микроклимат в салоне автомобиля оказывает большое влияние на состояние водителя. Поэтому следует важное значение уделять условиям и качеству воздуха в салоне автомобиля.

Наиболее благоприятная температура в салоне 22 ⁰С, оптимальная влажность - 30 - 70 % (Трофименко и др., 2004). Работа в условиях температуры воздуха выше +25°С быстрее утомляет, приводит к снижению внимания и увеличению времени реакции. При дальнейшем повышении температуры до + 35°С умственная деятельность ухудшается, замедляется реакция, появляются ошибки, внимание снижается примерно на 10 %. Пониженная температура воздуха также отрицательно влияет на работу мышц, на быстроту и точность движений, водитель делает больше ошибок (www.proufu.ru/content/view/4122/38/).

Вредные вещества, присутствующие в салоне и их воздействие на человека, приведены в таблице 4 (Трофименко и др., 2004).

Таблица 4

Вредные вещества, присутствующие в воздухе салона автомобиля (по данным Трофименко и др., 2004)

Вставить

Глава 2. Материалы и методы исследований

2.1 Материал исследований

Материалом для исследований послужили пробы атмосферного воздуха отобранные в салоне легковых автомобилей и маршрутных такси в ходе прохождения производственной практики на базе филиале "ЦЛАТИ по Республике Башкортостан" ФГУ "ЦЛАТИ по ПФО", в отделе лабораторного контроля. Были измерены концентрации вредных веществ в салоне 10 легковых автомобилей, в состав которых входили и марки зарубежных производителей и отечественные автомобили: ВАЗ 2107, ВАЗ 2109, ВАЗ 2110, ВАЗ 2114, Лада Priora, Renault Logan, Renault Megan, Hyundai Accent, Daewoo Nexia, Peugeot 307. Также был исследован воздух в салоне маршрутных такси марки ГАЗ 2705. Объектом исследования является воздух в салоне легковых автомобилей и маршрутных такси.

Салон автомашины - негерметичное пространство. Воздух в салон поступает снаружи через воздухозаборники и удаляется через вентиляционные решетки как правило в задней части кузова, через окна и щели. То есть какой воздух снаружи, такой он и внутри. В большинстве иномарок и в новые модели отечественных автомобилей установлены фильтры воздуха салона, кондиционеры, предусмотрен режим рециркуляции воздуха, при котором воздух "гоняется по салону", не разбавляясь наружным воздухом. Указанные выше автотранспортные средства оснащены бензиновыми двигателями, для которых характерны следующие загрязняющие вещества: СО (оксид углерода), СН (углеводороды), оксидов азота (NО/ NО₂/NO_x), SО (диоксид серы). (Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух для автотранспортных предприятий (расчетным методом), утвержденная Министерством транспорта Российской Федерации от 28.10.1998г.)

2.2 Методы исследований

Отдел лабораторного контроля располагает экологической лабораторией, которая занимается проведением анализов промышленных выбросов на содержание углеводородов предельных С₁-С₁₀, углеводородов непредельных С₂-С₅, углеводородов ароматических (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы, стирол), атмосферного воздуха на содержание углерода оксида, азота оксида, азота диоксида, сероводорода, серы диоксида, углеводородов предельных С₁-С₁₀, углеводородов непредельных С₂-С₅, углеводородов ароматических (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы, стирол), пыли (взвешенных веществ), масла минерального нефтяного, сероуглерода, аммиака, натрия гидроксида, фенола, хлороводорода, метана.

Отбор проб

Одним из основных элементов анализа качества атмосферного воздуха является отбор проб и подготовка пробы к анализу. Все стадии анализа связаны между собой. Так, тщательно измеренный аналитический сигнал не дает правильной информации о содержании определяемого компонента, если неправильно осуществлен отбор или неверно проведена подготовка пробы к анализу. В большинстве случаев именно отбор и подготовка пробы к химическому анализу определяют надежность и качество получаемых результатов, а также трудоемкость и длительность аналитического цикла.

Метод заключается в аспирации определенного объема воздуха (газа) через поглотительный прибор (Рыхтера, Зайцева, Полежаева, поглотители с пористой пластиной, газовые пипетки, сорбционные трубки и др.), заполненные жидким или твердым сорбентом для улавливания вещества, или через аэрозольный фильтр, задерживающий содержащиеся в воздухе частицы.

Погрешность при отборе пробы и ее подготовке часто становится причиной общей ошибки определения компонента и делает бессмысленным использование высокоточных методов. В свою очередь, отбор и подготовка пробы зависят не только от природы анализируемого объекта, но и от способа измерения аналитического сигнала. Приемы и порядок отбора пробы настолько важны при проведении химического анализа, что обычно предписываются государственным стандартом ГОСТ 12.1.005-88. "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны".

Отобранная проба должна быть представительной, т.е. статистически правильно отражать состояние объекта окружающей среды, из которого она взята.

Универсального способа пробоотбора, позволяющего одновременно улавливать из воздуха все загрязняющие вещества, не существует. Выбор адекватного способа отбора определяется прежде всего агрегатным состоянием веществ, а также их физико-химическими свойствами.

В воздухе загрязняющие компоненты могут присутствовать в виде газов (NO, N0₂, CO, S0₂), паров (преимущественно органических веществ с температурой кипения но 230-250°С), аэрозолей (туман, дым, пыль). Иногда вещества могут находиться в воздухе одновременно в виде паров и аэрозолей. Это преимущественно жидкости с высокой температурой кипения (дибутилфталат, капропактам и др.). Попадая в воздух, их пары конденсируются с образованием аэрозоля конденсации. Аэрозоли конденсации образуются также при некоторых химических реакциях приводящих к появлению новых жидких или твердых фаз. Например, при взаимодействии триоксида серы с влагой образуется туман серной кислоты; аммиак и хлороводород образуют дым хлорида аммония.

Правильное установление агрегатного состояния вредного вещества в воздухе способствует правильному выпору фильтров и сорбентов и уменьшению погрешности определения, связанной с пробоотбором. Для предварительной оценки агрегатного состояния примесей в воздухе необходимо располагать сведениями об их летучести. При классификации вредных веществ по их агрегатным состояниям в воздухе необходимо учитывать (помимо летучести) их предельно допустимые концентрации.

При проведении санитарно-химических исследований на производстве пробы отбирают преимущественно аспирационным способом путем пропускания исследуемого воздуха через поглотительную систему. Минимальная концентрация вещества, поддающаяся четкому и надежному определению, зависит от количества отбираемого воздуха.

Многообразие вредных веществ и агрегатных состояний в воздухе обусловливает использование различных поглотительных систем, обеспечивающих эффективное поглощение микропримесей.

Общие требования к отбору проб воздуха

Пробоотбор должен быть максимально экспрессным: 20-30 мин (в рабочей зоне - 15 мин). Изначально чистые поглотительные сосуды и емкости необходимо герметично подсоединять к побудителю расхода воздуха и плотно закрывать.

Все характеристики пробы (масса, объем, время, место отбора), а также климатические и другие рабочие условия должны быть запротоколированы. При наличии нескольких загрязняющих веществ допускается осуществлять проботбор по наиболее опасным или характерным компонентам.

Стабилизация и хранение проб воздуха

Пробы объектов окружающей среды можно отбирать как непосредственно перед анализом, так и заблаговременно. В последнем случае выполняют промежуточные операции хранения и стабилизации проб.

Применение экспрессных методов анализа на месте помогает избежать многих осложнений с изменениями состояния анализируемых проб. Однако это удается далеко не всегда, поэтому необходимо иметь представление о процессах, идущих в средах при хранении проб, а также знать правила хранения. В зависимости от предполагаемой продолжительности хранения отобранные пробы иногда консервируют. При этом универсального консервирующего средства не существует, поэтому для анализа отбирают несколько проб, каждую из которых консервируют, добавляя соответствующие химикаты.

Применение консервирующих средств полностью не предохраняет определяемое вещество или саму среду от изменения. Поэтому стараются даже консервированные пробы анализировать сразу или на следующий день, но не позднее чем на третьи сутки после отбора. В процессе экоаналитической деятельности для обеспечения достоверности результатов все реагенты, особенно применяемые в больших количествах (вода, прочие растворители), должны быть по возможности высокой чистоты. Для определения очень низких концентраций даже реагенты высокой чистоты перед применением необходимо очищать дополнительно. Поэтому реагенты (в том числе для растворения и стабилизации проб) следует выбирать исходя не только из их химических свойств, но и из возможности качественной оценки. Так, предпочтительнее кислоты, которые можно перегнать при низкой температуре (НС₁, HN0₃). Следует избегать использования окрашенных пробок, поскольку пигменты могут загрязнять хранящиеся под ними пробы.

Особенностью хранения проб воздуха является то, что как таковые (воздух, отобранный в специальные емкости) их практически не хранят. Исключение составляют пробы веществ, отделенных от воздушной среды путем аспирации в жидкость или сорбции на твердые поглотители. При этом в первом случае применяют все описанные процедуры стабилизации и хранения водных (жидкостных) проб, а во втором - процедуры стабилизации и хранения проб почвы.

Кроме классических методов определения концентраций загрязняющих веществ - отбор проб воздуха и его химический анализ в стационарной лаборатории, на практике применяется экспресс-анализ с использованием различных приборов прямого действия.

Особого внимания заслуживают передвижные средства экспресс-контроля (лаборатории), обеспечивающие получение информации о концентрации загрязняющих веществ в режиме реального времени практически в любой точке города.

В Филиале "ЦЛАТИ" также используются такие передвижные экологические лаборатории (ПЭЛ), с помощью которых можно выезжать не только в различные части города, но и в отдаленные промышленные районы республики. Современное приборное оснащение лаборатории позволяет проводить мобильные выезды и оперативное исследование окружающей среды. Филиал располагает передвижной лабораторией на базе автомобиля "ГАЗ 2705", в салоне которого размещено оборудование (измерительное, технологическое, вспомогательное) для определения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, а также автоматизированное место оператора (персональный компьютер со специализированным программным обеспечением) для сбора, обработки и хранения полученных данных. В случае экстренных ситуаций с ее помощью можно оперативно определить уровень загрязнения атмосферы. Внутри автомобиля размещается настоящий автономный научно-исследовательский комплекс, оснащенный высокоточными приборами и измерительными устройствами. Среди них газовый хроматограф "Кристалл 5000" для быстрого анализа атмосферного воздуха. В состав измерительной аппаратуры входят газоанализаторы, предназначенные для определения основных загрязнителей атмосферного воздуха: оксида углерода (СО), оксидов азота (N0/ N0₂/NO_x), аммиака (NH₃), диоксида серы (S0₂) и сероводорода (H₂S). Универсальный метеорологический комплекс, оборудованный высокочувствительными датчиками, служит для регистрации основных метеопараметров: относительной влажности и температуры воздуха, атмосферного давления, направления и скорости ветра. Вся аппаратура в передвижной лаборатории работает автоматически, полученная информация обрабатывается с помощью программного комплекса, позволяющего записывать и хранить в памяти банк данных проведенных замеров.

Полученные материалы обрабатывались с помощью газового хроматографа "Кристалл 5000". В состав измерительной аппаратуры входят газоанализаторы, предназначенные для определения основных загрязнителей атмосферного воздуха: оксида углерода (СО), оксидов азота (NО/ NО₂/NO_x), аммиака (NH₃), диоксида серы (SО₂) и сероводорода (H₂S).

Хроматография занимает первое место по применению в настоящее время среди всех аналитических методов. Это объясняется тем, что при анализе многокомпонентных систем с низким содержанием определяемых веществ на уровне у хроматографических методов нет альтернативы. Немаловажным фактором является в современных условиях и очень низкая цена анализа в расчете на один компонент, т.к. одновременно определяется до 100 веществ за один ввод пробы. Кроме того, хроматографический анализ легко автоматизируется по линии ввод пробы - условия разделения - обработка аналитического сигнала - получение и хранение аналитической информации. При этом одновременно проводится идентификация компонентов смеси и их количественное определение.

Сочетание хроматографического разделения с масс-спектрометрическим детектированием позволяет, например, определять до 50 000 органических соединений-загрязнителей в воздухе. Использование атомно-эмиссионного детектора в ВЭЖХ открывают перспективу определения на уровне ПДК тяжелых металлов-токсикантов (Sn, Hg, Pb) в водах, почвах, донных отложениях. Широкие возможности в анализе загрязнений объектов окружающей среды представляют различные варианты многомерной хроматографии. Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа является возможность разделения близких по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать (установить природу) и количественно определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.

В некоторых случаях для идентификации веществ используется хроматография в сочетании с другими физико-химическими и физическими методами, например с масс-спектрометрией, инфракрасной (ИК) и ультрафиолетовой (УФ) спектроскопией и др. Для расшифровки хроматограмм и выбора условий опыта применяют ЭВМ.

Хроматография широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.

Основные достоинства хроматографического анализа:

1. экспрессность;

2. высокая эффективность;

3. возможность автоматизации и получение объективной информации;

4. сочетание с другими физико-химическими методами;

5. широкий интервал концентраций соединений;

6. возможность изучения физико-химических свойств соединений;

7. осуществление проведения качественного и количественного анализа;

8. применение для контроля и автоматического регулирования технологических процессов.

Разработаны разные методы хроматографии, которые позволяют разделять и определять от смесей газов до смесей высокомолекулярных соединений (полимеров, биополимеров).

Хроматографические методы, применяемые в лаборатории, представлены тремя основными направлениями:

ионная хроматография;

газовая хроматография;

жидкостная хроматография.

Метод ионной хроматографии пригоден для анализа проб с водной матрицей (водой, растворами водорастворимых газов, водными вытяжками из отходов и почв). Данным методом определяется количественное содержание катионов (ионов аммония, кальция, магния) и анионов (фториды, хлориды, нитриты, нитраты, фосфаты, сульфаты, роданиды, цианиды).

Газовая хроматография применяется для газов разделения, определения примесей вредных веществ в воздухе, воде, почве, промышленных продуктах; определения состава продуктов основного органического и нефтехимического синтеза, выхлопных газов, лекарственных препаратов, а также в криминалистике и т.д. Газовый хроматограф используется для определения газов для соединений, которые можно перевести в летучее состояние (без разложения) с температурами кипения до 500-1000°С.

Жидкостная хроматография используется для анализа, разделения и очистки синтетических полимеров, лекарственных препаратов, детергентов, белков, гормонов и др. биологически важных соединений. Использование высокочувствительных детекторов позволяет работать с очень малыми количествами веществ (10-11-10-9 г), что исключительно важно в биологических исследованиях. Жидкостный хроматограф позволяет определять малолетучие и нелетучие соединения с молекулярными массами от 50 до нескольких миллионов, не переводя их в парообразное состояние при температурах, близких к комнатной. Кроме того, жидкостный хроматограф может быть применен для выделения некоторых веществ в чистом виде в количестве нескольких граммов в полупрепаративном режиме (Евсеева и др, 2008).

Последние нормативные документы - санитарные правила и нормы (СанПиН) для питьевой воды - предполагают определение 763 органических веществ: из них галогенсодержащих - 74, азотсодержащих - 198, фосфорсодержащих - 97, кислородосодержащих - 163, серосодержащих - 56, гетероциклических - 87, элементоорганических - 20.

В каждом регионе утверждается разный набор контролируемых в питьевой воде загрязнений в зависимости от специфики предприятий, работающих на его территории.

Хроматограф - компактный и экономичный прибор, который применяется для анализа состава, структуры и качественных параметров жидких и газовых проб в органических и неорганических соединениях. На современном уровне достижений в различных отраслях хозяйствования область применения хроматографа весьма многогранна. Прибор совмещает в себе простоту и надежность своей конструкции. Хроматограф составляет основу для создания лабораторных аналитических комплексов, которые предназначены как для исследовательских, так и ежедневных производственных задач.