Аналитический контроль экологических объектов

Металлургия является многопрофильной промышленностью, включаю-щей добычу руд, обогащение, пиро-, гидро- и электрометаллургию, обработку металлов, побочные производства кислот, удобрений, строительных материа-лов.

Особенностью металлургического производства является то, что напредприятиях отрасли получают элементы и соединения, значительная часть которых даже в малых дозах является ядами. В связи с тем, что действия по уменьшению загрязнений окружающей среды могут быть инициированы только после того, как эффект загрязнения замечен, идентифицирован и изме-рен, необходим действенный аналитический контроль (химический мониторинг) состояния окружающей среды.

Мониторинг позволяет установить источники загрязнений и условияих поступления в воздушный бассейн, гидросферу, почву, а также оценить ущерб, наносимый отдельными предприятиями.

Основная часть загрязнений металлургических предприятий поступает в атмосферу, что обусловлено превалированием в отрасли пирометаллурги-ческих процессов. Воздух загрязняется при этом CO, CO 2, NO, NO2, SO2, H2S, аэрозолями различной природы, включающими оксиды, сульфиды и другие соединения металлов, а также смолистые вещества и органические соединения. Названные компоненты оказывают вредное воздействие на растения, на органы дыхания человека и животных. Помимо прямой токсикации в результате выпадения их на поверхность почвы, зеркало водоемов, на растительный покров, происходит включение вредных веществ в пищевую цепь. Последнее особенно опасно, поскольку по мере движения токсикантов по пищевой цепи происходит их накопление в организмах. Почвы обладают высокой  кумуляционной способностью к тяжелым металлам (Pb, Hg, Cd, As и др.), вследствие чего выпадающие на поверхность почв тяжелые металлы приводят к продолжительным трудноисправимым изменениям в ней. Даже такое нетоксичное соединение, как MgO, попадая в почву, замедляет рост растений.

Металлургическое производство сопровождается образованием большого количества сточных вод. Вода на производстве используется в ка

честве охлаждающей среды, растворителя реагентов, среды, поглощающей и транспортирующей механические и растворенные примеси. загрязняющие компоненты – катионы металлов, в том числе тяжелых; анионы, в том числе такие токсичные, как цианиды, арсениды, сульфаты и др., а также дисперсные примеси. Сточные воды могут содержать также кислоты, щелочи и грубодис-персные примеси. Рудники, обогатительные фабрики, металлургические и ме-таллообрабатывающие заводы являются серьезными источниками загрязне-ний водных бассейнов.

Основным критерием определения чистоты природной среды является соблюдение предельно допустимых концентраций, (ПДК) вредных веществ в воде, воздухе и почве. ПДК характеризуют максимальные требования к чи-стоте отдельных природных сфер, соблюдение которых позволит исключить неблагоприятное влияние на здоровье людей. Однако практика показывает, что действующие ПДК загрязняющих веществ соответствуют лишь требова-ниям поддержания безопасного уровня содержания их в соответствующей сфере.

Контроль объема и состава выбросов загрязняющих веществ отдельны-ми предприятиями через ПДК затруднителен. В настоящее время разрабаты-ваются нормы предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ (ПДВ). Указанные нормы должны вводиться в действие с учетом соблюденияустановленных норм ПДК.

В настоящее время установлены ПДК на несколько сотен веществ. Расширение числа определяемых микроэлементов, разработка методик од-новременного их определения из одной навески, автоматизации измерений – эти задачи являются основными при контроле загрязнений окружающей сре-ды с учетом усложнения состава проб и расширения сферы применения авто-матизированного анализа с выдачей данных на ЭВМ. Кроме того, необходи-мость быстрого реагирования на появление загрязнений и предупреждения их вредного воздействия требуют еще одного качества от средств аналитическо-го контроля – экспрессности.

Мониторинг атмосферных загрязнений осуществляется посредствоммногочисленных методов анализа. Так, при помощи лазерной романовской спектроскопии удается осуществлять дистанционный анализ атмосферы на содержание в ней сернистого газа и оксидов азота. Для определения соедине-ний серы и азота в воздухе используют газовую хроматографию, фотометри-ческий метод, а также традиционные химические и электрохимические мето-ды. Для этого оксиды серы и азота улавливают при помощи фильтров. После-дующее суммарное определение серы и азота основано на химическом превращении их в соответствующие кислоты (серную и азотную) и измере-ний их содержаний титриметрическим или потенциометрическим методом.

В атмосфере промышленных районов состав аэрозолей определяется спецификой выбросов предприятий, и характеризуются разнообразием и не-постоянством. Для массового анализа проб воздуха в таких случаях наиболее целесообразно использование таких многоэлементных методов, как атомно – эмиссионный, рентгеноспектральный, нейтронно – активационный, рентгено-

метрический и масс-спектральный. При определении элементного состава твердых частиц и аэрозолей, содержащихся в воздухе, применяют фильтра-цию, причем объем анализируемой пробы может достигать n 10⁴ м ³. При этом анализируемую воздушную пробу пропускают через сорбционный фильтрую-щий элемент, на котором концентрируются все возможные загрязняющие примеси. В дальнейшем, в зависимости от аналитического окончания, состав выделившихся на фильтре осадков, измеряют непосредственно (активацион-ный, рентгеноспектральный методы) либо после предварительного растворе-ния в кислотах (атомно-абсорционный, атомно-эмиссионный с индуктивной плазмой и другие методы).

Для определения в атмосфере загрязняющих ее газообразных, легколе-тучих, в том числе органических, соединений широко используют хромато-графический метод анализа, для которого характерно высокое разрешение,низкие границы определяемых содержаний и экспрессность, сочетаемая с вы-сокой степенью автоматизации. Предварительное концентрирование является почти всегда обязательной операцией при определении вредных примесей в природных и сточных водах, в почве и растениях. При анализе вод основны-ми методами концентрирования являются дистилляция, экстракция, сорбция (ионообменные мембраны, хелатные смолы, активированные угли). При ана-лизе коллоидных растворов используют ультрафильтрацию, осуществляемые через полупроницаемые мембраны с величиной пор от микрона до размера молекул. При этом достигаются коэффициенты концентрирования вплоть до 10⁴.

После концентрирования пробы анализируют с использованием таких высокочувствительных методов, как атомно-абсорционный, атомно-эмис-сионный с индуктивной плазмой, люминесцентный и др. К традиционным ме-тодам анализа примесей в жидких средах относятся электрохимические мето-ды. Определение содержаний компонентов в сточных водах на уровне ПДК и ниже выполняют при помощи вольтамперометрии. Предел обнаружения эле-ментов Cu, Pb, Cd, Co, Mn, Cr, Ca, Tl, As, Hg этим методом составляет в сред-нем 10^-10 г/см³. Ионоселективные электроды особенно хорошо позволяют определить микропримеси Na, K, Ca, Mg, Cl^-, SO4^2- и др. Для определения анионов воде чаще используют методы ионометрии и ионной хроматографии.

Наиболее важными являются вещественный и молекулярный анализ почв – идентификация и количественное определение различных форм инди-видуальных органических, минеральных и органоминеральных веществ, определяющих почвенную массу. Так, например, основные биогенные эле-менты: азот, фтор и сера в почвах представлены разнообразными органиче-скими и неорганическими соединениями, причем во всех устойчивых степе-нях окисления.

Молекулярный и структурно-групповой анализ органических компо-нентов почв осуществляют методами молекулярной абсорционной спектро-скопии, хроматографии, масс-спектрометрии, ЯМР. Молекулярные массы гу-мусовых кислот определяют оптическими методами и гельфильтрацией.

Свойства почвы существенно зависят от ее фазового состава. Один из способов фазового анализа состоит в избирательном растворении отдельных составляющих фаз. Так, для определения групп минеральных соединений фосфора в почвах пробы обрабатывались растворами кислот, щелочей и со-лей. Например, при обработке пробы 1% раствором(NH4)2SO4 и 0,25% раство-ром (NH4)2 MoO4 (pH=4.8) извлекают фосфаты щелочных металлов и аммо-ния, кислые и свежеосажденные фосфаты кальция и магния. При обработке 0,5М раствором NH4F (pH=8.5) растворяются фосфаты алюминия. При дей-ствии 0,1М раствора NaOH в раствор переходят фосфат-ионы из минералов типа штренгита, дюффренита и значительная часть органофосфатов. При дей-ствии 0,25М раствора H2SO4 высвобождаются фосфаты, связанные в высо-коосновные фосфаты кальция типа апатита.

Большое влияние на химическое состояние почв оказывают окислитель-но-восстановительные процессы. Слишком низкие потенциалы, возникающие при интенсивно идущих восстановительных реакциях, как и слишком высо-кие потенциалы, вызывающие накопление соединений с элементами в выс-ших степенях окисления, создают неблагоприятные условия и снижают про-дуктивность большинства возделываемых культур. Контроль за окислитель-но-восстановительными процессами в почвах обычно осуществляют двумя способами: прямое определение окислительно-восстановительного потенциа-ла потенциометрическим методами и определение химическими и инструмен-тальными методами концентрации различных форм соединений, элементы в которых находятся в различных степенях окисления.

Существует общегосударственная система наблюдений и контроля при-родной среды. Частью общей системы контроля являются почвенный монито-ринг, обеспечивающий комплексный контроль за состоянием почв и почвен-ного покрова с помощью наземных наблюдений и аэрокосмических методов.