Полевые методы экологического мониторинга
Прозрачность, измеряется как высота столба воды, при взгляде сквозь который на белой бумаге можно различать стандартный шрифт.
Мутность определяют визуально по степени мутности столба высотой 10-12 см. В последнем случае пробу описывают качественно следующим образом: прозрачная, слабо опалесцирующая, опалесцирующая, слабо мутная, мутная, очень мутная (ГОСТ 1030).
Пенистость. Пенистостью считается способность воды сохранять искусственно созданную пену. Данный показатель может быть использован для качественной оценки присутствие таких веществ как поверхностно-активные вещества природного и искусственного происхождения. Пенистость определяют, в основном, при анализе сточных и загрязненных природных вод. Проба положительна, если пена сохраняется больше 1 мин (рН 6,5 - 8,5).
Водородный показатель. Для всего живого в воде минимально возможная величина рН=5, дождь, имеющий рН<5,5, считается кислотным. В питьевой воде допускается рН= 6,0-9,0, в воде водоемов хозяйственно-бытового и культурно-бытового водопользования - 6,5-8,5.
4. Наиболее универсальные приборы, подходящие для целей экологического мониторинга
4.1 Технические средства контроля атмосферы
К их числу следует отнести быстродействующие автоматические приборы и ручные экспресс-определители с индикаторными трубками, основанные на "линейно-колористическом" принципе измерения аналитического эффекта.
Одним из наиболее перспективных для решения этой задачи отечественных технических средств контроля атмосферы является серия непрерывно действующих фотоионизационных газоанализаторов типа «КОЛИОН» (ЗАО «Бюро аналитического приборостроения ХРОМДЕТ - ЭКОЛОГИЯ», г. Москва).
Достоинства этой серии приборов:
переносные,
легкие (0,3 - 2,5 кг),
малогабаритные (65х205х180 мм),
быстродействующие (время отклика 3 с),
чувствительные (время обнаружения 0,1 мг/м3, диапазон определяемых содержаний 2 - 2000 мг/м3),
точные (основная относительная погрешность 25 %),
автономные,
с наглядным представлением результата (в виде величины концентрации на жидкокристаллическом дисплее), а также сигнализацией о превышении установленного уровня загрязненности.
Приборы серии «КОЛИОН» обладают довольно широким перечнем анализируемых с их помощью соединений:
нефтепродукты,
другие алифатические, ароматические и непредельные УВ,
органические растворители,
хлоралкены,
метанол, этанол, фенол и др. спирты,
альдегиды, кетоны,
сложные эфиры,
амины, меркаптаны,
NH3, H2S, CS2, Cl2 и др. неорганические вещества.
Цена наиболее распространенной модели газоанализатора составляет ~ 1000$.
Несмотря на очевидные преимущества, приборы серии «КОЛИОН» обладают одним существенным недостатком - они неспецифичны. Действие приборов основано на фотоионизационном эффекте - возникновении интегральнго ионизационного тока в измерительной камере под действием УФ-излучения при попадании в нее легко диссоциирующих веществ. Таким образом, приборы измеряют токовый сигнал, пропорциональный суммарной концентрации анализируемых веществ, не различая при этом особенностей их природы и химических свойств.
Для компенсации этого недостатка при поиске и первичном охарактеризовании источника загрязняющих веществ для целей экологического мониторинга могут быть применены в качестве экспрессных средств экоаналитического контроля «на месте» линейно-колористические индикаторные трубки (Санкт-Петербург, НПО ЗАО «Крисмас +»). Достоинства индикаторных трубок:
переносные,
легкие (насос с индикаторной трубкой весят не более 1 кг),
малогабаритные,
быстродействующие (время отклика - несколько минут),
чувствительные (предел обнаружения - десятые доли ПДКр.з., диапазон определения 0,1 - 1000000 мг/м3),
основная относительная погрешность составляет ± 25 %.
Комплекты-лаборатории типа «Пчелка-Р» включают в свой состав газоопределитель химический многокомпонентный ГХК (аспиратор и зонд пробоотборный). Набор прменяемых с ГХК метрологически аттестованных индикаторных трубок позволяет анализировать с их помощью довольно широкий перечень неорганических веществ и различных органических соединений (всего около 30), к которым относятся:
NH3, H2S, SO2, NOx, Cl2, HCl, CO, CO2, Br2 и др. неорганические вещества,
углеводороды нефти,
ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол и др.),
трихлорэтилен и др. хлоралкены,
этанол и другие спирты,
формальдегид и ацетон, а также другие альдегиды и кетоны,
диэтиловый и другие эфиры,
ацетилен, уксусная кислота,
амины, меркаптаны и многие другие органические соединения.
Всего НПО «Крисмас +» поставляет более 180 типов индикаторных трубок.
Некоторые примеры наиболее подходящих портативных (переносных) средств и их основные характеристики:
Хроматограф газовый полевой типа ЭХО-М (г. Новосибирск) масса 6 - 7 кг, электропитание 12 В, время непрерывной работы 8 ч. Детектор электронного захвата. Возможна замена детекторов (фотоионизационный детектор, пламенно-ионизационный детектор). Предел обнаружения с детектором электронного захвата составляет 5 10-13 кг (с возможным дополнением 1000 - кратного обогащения в выносном концентраторе). Цена - 12 000 - 14 000 $.
Хроматограф газовый переносной для анализа неорганических газов и продуктов сгорания топлива типа АХГ - 002. Предел обнаружения, г/см3: по Н2 - 8,4·10-10, по СО - 3,5·10-8, по СН4 - 6,6·10-9, по О2 - 8,7·10-9, по СО2 - 9,2·10-7 с детектором по теплопроводности. Цена ~ 2100 $.
Хроматограф газовый малогабаритный типа ХПМ - 5 для анализа сложных смесей веществ. Масса - 20 кг (аналитический блок) и 8 кг (блок питания), габариты, мм - 412х282х341 (аналитический блок) и 120х311х290 (блок питания). Пределы обнаружения: S - 1,0·10-10 (пламенно-фотометрический детектор), P - 1·10-11 - (пламенно-фотометрический детектор) и 2,0·10-12 (термоионный детектор), N-5·10-12 (термоионный детектор), пестициды - 4,0·10-13 (детектор электронного захвата), УВ - 2,0·10-8 (детектор по теплопроводности) и 2·10-11(пламенно-ионизационный детектор). Цена 3500 $.
Хроматографы жидкостные переносные типа «Цвет - 403». Масса - 16 кг, предел обнаружения, в мг/мл: 10-8 - 10-10 (электрохимический детектор) и 10-4 (ультрафиолетовый детектор). Цена 3000 - 3400 $.
Фотометр КФК-05 переносной малогабаритный (АООТ «Загорский оптико - механический завод», г. Сергиев-Посад). Габариты 190х170х83 мм, вес 1,2 кг, электропитание 220 и 12 В. Погрешность 1 %, среднеквадратичное отклонение 0,15 %.
Микрофотоколориметр полевой. МКМФ-02П (микропроцессорный аналог). Цена 455 - 520 $.
Спектрофотометр переносной DR/2010 VIS, =400-900 нм, погрешность 2 %, среднеквадратичное отклонение 0,15 %. Цена 3500 $.
4.2 Средства контроля вод и других жидких сред
В отличие от газоаналитической аппаратуры технические средства для контроля загрязненности вод и других жидкостей распространены несколько меньше.
Рассмотрим наиболее часто применяемые, относительно доступные и универсальные приборы, а также другие технические средства, подходящие для целей экологического мониторинга.
Обращаясь к операциям экологического контроля, в первую очередь рассмотрим те технические средства, которые могут быть использованы на первой стадии цикла - при поиске источника загрязнения вод.
К сожалению, аналога портативного прибора «КОЛИОН», который можно было бы использовать для поиска источников загрязнения вод, в нашей стране пока не разработано.
Появляются автоматизированные системы импортного производства на основе измерительных приборов проточно-инжекционного типа, например, WATERLAB 2000 M/S (фирма «SERES», Франция). Однако до сих пор число автоматически и параллельно контролируемых «на месте» параметров загрязнения вод даже в этих лучших образцах не превышает десятка.
Поэтому в российских условиях одной из наиболее перспективных для решения этой задачи серий отечественных технических средств является особая группа «простейших» портативных средств контроля - так называемые полевые «экспресс-анализаторы», под которыми следует понимать средства, с помощью которых возможно быстрое и простое обнаружение и/или первичное определение искомых компонентов в воде.
Эти средства в основном предназначены для проведения экспресс -анализа «on-line» с целью выявления фактора и места превышения норм ПДК (ОДУ) как по природным компонентам (например, железо растворенное, соли жесткости и др.), так и по загрязнениям антропогенного характера (прежде всего, искусственно синтезированные органические вещества, водорастворимые формы токсичных тяжелых металлов и т. д.).
Типичным примером таких относительно простых портативных средств могут служить переносные лаборатории.
НПО ЗАО «Крисмас +» выпускает сотни комплект-методик и комплект-лабораторий, несколько модификаций модульных полевых портативных лабораторий для комплексного анализа вод (НКВ, Пчелка).
«НКВ»: стоимость 20000 руб. (в 10 - 40 раз дешевле, чем полевая лаборатория DR 2010). Позволяет экспрессно (за несколько минут) обнаружить более 10 загрязняющих веществ (NO3-, NO2-, S2-, активный уголь, Cr6+, Fe2+, Fe3+, Fe, Cu2+, Ni2+ и др.) и полуколичественно их определять (по цветным шкалам - эталонам).
При дополнительной комплектации переносным фотометром КФК-5М или полевым колориметом МКМФ-02Э возможно количественное определение в полевых условиях до 26 показателей.
Следует иметь в виду, что такого рода устройства, конечно, имеют некоторые ограничения по номенклатуре анализируемых веществ. В основном они ориентированы на контроль показателей загрязнения природного происхождения (рН, жесткость, K+, Fe, Me, NH4+, NO3-, CO32-, HCO3-, SО42-, Cl-, F- и др.), хотя превышение некоторых этих показателей является признаком техногенного загрязнения, в частности NH4+, NO3-, SО42- и др. Кроме того, результаты измерений и их точность обычно составляет 50 - 100 %.
Дополнительно к полевым лабораториям могут применяться другие портативные средства экоаналитического контроля: газовые хроматографы, ИК-анализаторы, рентгено-флуоресцентные анализаторы.
4.3 Средства контроля почв
Третьей из важнейших групп средств экоаналитического контроля является семейство приборов, предназначенных для анализа почв, донных осадков, других твердых веществ, материалов и поверхностей. По сравнению с газоанализаторами и средствами анализа жидкостей, приборы контроля почв наименее распространенны, что определяется не столько меньшей потребностью в них, сколько сложностью данного вида анализаторов. Известны только определенные представители таких портативных средств контроля почв: анализаторы ртути типа УКР - 1 (МП «Экон», Москва), РА - 915 (НПФАП «Люмэкс», Санкт-Петербург), ЭГРА - 01 (ФГУ НПП «Геологоразведка»), анализатор ртути «Юлия - 2», а также АМА - 254 («LECO» Чехия).
Кроме того, в геологоразведке применяется рентгено-радиометрический анализатор химических элементов РПП-105, основанный на рентгено-флуоресцентном методе анализа.
Среди портативных приборов для целей группового экспресс-анализа почв на содержание в них элементов наиболее приспособлены рентгенофлуоресцетные спектрофотометры: «Спектроскан» (НПО«Спектрон», Санкт-Петербург), Спектроскан -U (14000 $) с высокой точностью определяет более 70 тяжелых элементов в интервале от Са до U, Спектроскан-V (43000 $) с высокой точностью определяет более 80 элементов от Na до U. Чувствительность 0,7 - 1,0 мкг/см2 анализируемой поверхности.
Производители в Москве (НПФ «Аналит Инвест» совместно с АООТ «НПО Химавтоматика» и предприятие ООО «ИНЛАН») поставляют для комплектации стационарных и передвижных химических лабораторий новый вид средств измерения, представляющий собой совокупность технических средств, методического и программного обеспечения - химико-аналитические комплексы - рентгено-флуоресцентный, спектрально-оптический, газо- и ионохроматографический, включенные в Госреестр СИ. В частности, рентгено-флуоресцентный комплекс «ИНЛАН-РФ» позволяет с помощью специальной аттестованной методики при относительной погрешности 2,5 % определять в почве 8 наиболее распространенных тяжелых металлов (Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Pb, Hg, Zn) с чувствительностью 1 - 1500 мг/кг. Стоимость РФ - ХАХ, размещаемого на отечественной многоцелевой автомобильной экоаналитической лаборатории «Экомобиль» составляет 23 - 25 тыс. $.
Более 80 элементов (от Mg до V), правда с более низкой чувствительностью, позволяет определять в различных объектах еще одна группа эмиссионных приборов - рентгено-флуоресцентные спектрометры.
Из всей серии методов рентгеновской спектроскопии (рентген-эмиссионный, рентген-абсорбционный и рентген-флуоресцентный) последний обладает наибольшей чувствительностью (10-5 - 100 %), а кроме того, позволяет изготавливать на его основе портативные приборы.
Данные приборы незаменимы при полевом анализе (мониторинге) почв. Они позволяют в почвенных вытяжках и водах определять V, Bi, Mn, Ni, Pb, Cr, Zn в интервале концентраций 0,01 - 5,0 мг/л. Среди отечественных приборов, основанных на данном принципе, наиболее известны «ИКМЕТ - 01» в составе комплекса «ИНЛАН - РФ» и серия малогабаритных приборов «СПЕКТРОСКАН».
Список использованных источников
Мониторинг и методы контроля окружающей среды/Ю.А. Афанасьев, С.А. Фомин, В.В. Меньшиков и др. - М.: Изд-во МНЭПУ, 2001 - 337 с.
Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. - СПб: "Крисмас+", 1999. - 232 с.
Муравьева А.Г., Каррыев Б.Б., Ляндзберг А.Р. Оценка экологического состояния почвы. - СПб: "Крисмас+", 2000. - 164 с.
Дмитриев М.Т., Казнина Н.И., Пинигина И.А. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде. М.: Химия, 1989. 368 с.
Муравьева С.И., Казнина Н.И., Прохорова Е.К. Справочник по контролю вредных веществ в воздухе. М.:Химия, 1988. 320 с.
32