Изучение форм нахождения хрома и меди в атмосферном воздухе в районах, подверженных активному антропогенному воздействию

Актуальность темы

Хром и медь — элементы, являющиеся приоритетными загрязнителями атмосферы. Основными источниками эмиссии данных поллютантов в атмосферу являются выбросы предприятий, где их добывают, получают, перерабатывают и применяют. Наиболее существенный вклад в загрязнение атмосферы хромом и медью вносят производства хромовых соединений и предприятия цветной металлургии. Поэтому важным представляется с экологической точки зрения количественная оценка выбросов этих предприятий, содержащих хром и медь, и контроль эмиссии этих загрязнителей в атмосферу путем организации эффективного атмосферного мониторинга, позволяющего своевременно экспрессно оценить степень эмиссии, концентрационный уровень содержания хрома и меди в атмосфере, подвижность этих ингредиентов, обусловливающую их миграционную способность в атмосфере, и выявить их наиболее токсичные и канцерогенные формы, активно влияющие на степень загрязнения атмосферы в целом.

Анализ литературных данных показывает, что атмосферный мониторинг представлен не столь широким многообразием современных физических и физико-химических методов, используемых в качестве методов экоаналитического контроля содержаний хрома и меди в атмосфере, среди которых наиболее успешно применяются пламенная атомно-абсорбционная спектрофотометрия и спектрофотометрические методы анализа с применением различных органических реагентов. Однако, эти методы не являются достаточно чувствительными и избирательными, и позволяют определять только валовое содержание хрома и меди. В связи с этим, наиболее важным представляется разработка более высокочувствительных методов определения миграционных форм хрома.

Цель работы. Диссертационная работа выполнена в соответствии с темами «Комплексный экологический мониторинг объектов окружающей 4 среды» и «Разработка методов аналитического контроля приоритетных р загрязнителей в объектах окружающей среды», входящими в план научно-исследовательских работ кафедры неорганической и аналитической химии Московской государственной технологической академии, а также в соответствии с планом работ Министерства природных ресурсов РФ в рамках программы «Экологическая безопасность России».

Цель работы состояла в изучении форм нахождения меди и хрома в атмосферном воздухе в районах. Подверженных интенсивному антропогенному воздействию, разработке новых высокочувствительных и воспроизводимых методов определения концентрационного уровня их содержания и применении этих методов в атмосферном мониторинге для оценки техногенного уровня загрязнения хромом и медью.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проведение критического анализа современного состояния физических и физико-химических методов определения хрома и меди и выявление тенденции их дальнейшего применения в атмосферном мониторинге с точки зрения эффективности всей аналитической процедуры, включающей в себя пробоотбор атмосферных аэрозолей и их последующий анализ.

2. Исследование различных растворителей на степень извлечения хрома и меди из частиц аэрозолей, отобранных на фильтры, и из аэрозолей, отобранных на планшеты.

3. Установление форм нахождения хрома и меди в атмосферном воздухе и оценка влияния различных факторов на миграционную способность этих элементов.

4. Разработка новых высокочувствительных и воспроизводимых методов определения хрома и меди в атмосферных аэрозолях и апробация их на реальных образцах.

Научная новизна работы. Впервые проведено изучение миграционных о форм хрома и меди в атмосферном воздухе в районах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию, и изучено влияние различных факторов на миграционную способность и степень извлечения этих элементов (концентрации применяемых растворителей, размера частиц, определяющих сорбционную способность хрома и меди и процесс их распределения, расстояние от антропогенного источника, на котором производился отбор проб атмосферных аэрозолей).

Оценена степень эмиссии хрома и меди, поступающих в атмосферу с выхлопными газами от предприятий производства хромовых соединений и цветной металлургии.

Получены экспериментальные данные для анализа современного состояния атмосферного воздуха в районах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию, и прогнозирования динамики его изменения.

Практическая ценность работы. Проведены мониторинг атмосферного воздуха в ряде промышленных городов (Первоуральск, Усть-Каменогорск, Ангрен, Алмалык) и оценка влияния на его экологическое состояние выбросов от предприятий производства хромовых соединений и цветной металлургии, содержащих хром и медь, и оценена степень эффективности извлечения хрома из аэрозолей, отобранных в этих городах различными растворителями.

Разработаны достаточно высокочувствительные и воспроизводимые методы определения хрома и меди с учетом специфики пробоотбора и пробоподготовки, позволяющие определять эти элементы в атмосферном воздухе с чувствительностью 0,002 мг Cr/м3 и 0,01 мкг Cu/м3. Методы апробированы на реальных пробах атмосферного воздуха и внедрены в практику лаборатории комплексного мониторинга Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, главы литературного обзора, четырех глав экспериментальной.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Впервые проведено исследование миграционных форм хрома и меди в атмосферном воздухе в районах, подверженных интенсивному антропогенному воздействию, и изучено влияние различных факторов на миграционную способность этих элементов.

2. Исследована зависимость степени извлечения хрома и меди водой из аэрозольных частиц, отобранных на разных расстояниях от антропогенных источников. Установлено, что коэффициенты извлечения этих элементов, отобранных на расстоянии 3 км от источника загрязнения ниже, чем из аэрозолей, отобранных на более удаленных расстояниях. Наибольшая эффективность извлечения хрома из аэрозолей достигалась на расстоянии 6 км от источника загрязнения, а меди — на расстоянии от 8 до 10,5 км.

3. Оценена степень эффективности извлечения хрома и меди водой, 2%-ным раствором соляной кислоты и концентрированной азотной кислоты из частиц аэрозолей, отобранных на фильтры, прокачиванием через них воздуха, а также из аэрозолей, выпавших на планшеты. Установлено, что извлечение хрома и меди из частиц, отобранных на планшеты значительно ниже, чем из частиц, отобранных на фильтры. Полученные средние значения коэффициентов извлечения для хрома составляют соответственно 6± 10% и 2±4%, а для меди — 4±9% и 14±5%.

4. Определено, что хром и медь в атмосферном воздухе существуют в виде аэрозольных частиц более 1 мкм, которые содержат их малорастворимые в воде соединения.

5. Проведено разделение аэрозольных частиц по размерам и определение в них содержания хрома и меди. Сорбция хрома и меди на частицах зависит от размера частиц. Наибольшая концентрация меди и хрома была отмечена на частицах размером 1−5 мкм.

6. Разработаны достаточно высокочувствительные и воспроизводимые методы определения хрома и меди с учетом специфики пробоотбора и пробоподготовки, позволяющие определять эти элементы в атмосферном.

Заключение

.

Хром и медь — это элементы, которые являются приоритетными загрязнителями атмосферы. Поэтому для поддержания ее устойчивого экологического состояния и контроля эмиссии этих загрязнителей в атмосферу необходима организация эффективного атмосферного мониторинга, позволяющего своевременно экспрессно оценить степень этой эмиссии, концентрационный уровень содержания хрома и меди в атмосфере, подвижность этих ингредиентов, обусловливающую их миграционную способность в атмосфере.

Анализ литературных данных показывает, что атмосферный мониторинг представлен не столь широким многообразием современных физических и физико-химических методов, используемых в качестве методов экоаналитического контроля соединений хрома и меди в атмосфере. Из них можно выделить два широко применяемых в практике для контроля экологического состояния атмосферы. Это — метод атомно-абсорбционной спектроскопии (пламенный и беспламенный варианты) и спектрофотометрические методы с использованием в качестве органических реагентов диэтилдитиокарбамината натрия и дифенилкарбазида. Однако эти методы не отличаются достаточной селективностью, а потому не могут обеспечить требуемую экспрессность контроля содержаний хрома и меди в атмосфере. Более того, они позволяют определять только валовое содержание этих ингредиентов в атмосфере. Вместе с тем, многообразие химических соединений, в виде которых хром и медь поступают в атмосферу, сложность процессов и реакций, протекающих в ней, подвижность этих элементов и достаточно продолжительное время их жизни в атмосфере предопределяют комплексное изучение разнообразных химических форм хрома и меди, определяющих механизм их миграции в атмосфереразработку методов дифференцированного анализа каждой из них и выявление для каждого элемента с учетом его специфических биохимических свойств наиболее токсичной химической формы, которая может негативно влиять на экологическое состояние атмосферы. Подобная задача, на наш взгляд, является очень актуальной, и поэтому нами была впервые предпринята попытка определения лабильных форм хрома и меди, определяющих механизм их миграции в атмосфере, вклада каждой из них в.

Экспериментальная часть. ф.

ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ РАСТВОРЫ, РЕАГЕНТЫ И ПРИМЕНЯЕМАЯ АППАРАТУРА.

2.1. Отбор проб атмосферного воздуха.

Для отбора проб атмосферного воздуха при определении в нем форм хрома и меди был использован метод принудительной фильтрации воздуха через фильтр. Фильтрация воздуха осуществлялась фильтровентиляцион-ными установками (аспираторами). Конструкция фильтровентиляционной установки включала побудитель расхода воздуха, измеритель расхода воздуха, фильтродержатель с защитой от атмосферных выпадений. Для отбора проб воздуха фильтровентиляционные установки размещали на открытой площадке наблюдательного полигона на расстоянии 1−1,5 м друг от друга таким образом, чтобы входное отверстие находилось на высоте 1,7−2 м и было ориентировано горизонтально и вверх, что исключало возможное влияние направления и скорости ветра на эффективность пробоотбора. Отбор проб атмосферных аэрозолей осуществлялся на фильтры ФПА, диаметром 200 мм со скоростью прокачки воздуха 80 м3/час, выбор которых был обусловлен тем, что проскок через них аэрозолей размером менее 0,3−0,5 мкм не должен превышать 10%. Расход воздуха и площадь сечения фильтродержателя рассчитывали исходя из заданного объема пробы и диапазона допустимой линейной скорости потока воздуха через фильтр ФПА. При подготовке фильтровентиляционных установок к работе фильтры пинцетом извлекались из упаковки, накладывались на сетку фильтродержателя и закреплялись прижимным устройством. После окончания экспонирования операции выполняли в обратном порядке.

Экспонированный фильтр из ткани ФПА после отделения от марлевой основы помещали в термостойкий стакан, приливали 20 мл концентрированной азотной кислоты и нагревали до полного растворения фильтроматериала на электроплитке, покрытой листовым асбестом, не.

58 доводя до кипения. Затем пробу упаривали до влажных солей, остаток после охлаждения растворяли в 5 мл 1%-ной азотной кислоты и тщательно перемешивали. Полученный раствор переносили в градуированную пробирку и объем доводили до 10 мл. Пробирку плотно закрывали притертой пробкой. Для каждой партии азотной кислоты и каждой партии фильтров готовили по 2 холостых опыта.

2.2. Исходные растворы.

Для обработки фильтров ФПА применялись концентрированная HNO3 и 1%-ный раствор HNO3, при приготовлении которого в колбу вместимостью 100 мл помещали 1 мл концентрированной HNO3 и 99 мл дистиллированной воды.

2%-ный раствор НС1. Для приготовления раствора указанной концентрации в колбу вместимостью 100 мл помещали 2 мл концентрированной НС1 и 98 мл дистиллированной воды. Для атомно-абсорбционного определения меди и хрома применялись стандартные эталонные растворы ГСОРМ-17 — для Си (таблица 16) и ГСОРМ-18 — для Сг (таблица 17), с концентрацией элементов в них, равной 500 мкг/мл, а также рабочие стандартные растворы хрома и меди, приготовленные из стандартных эталонных растворов.