Мониторинг атмосферы

Оптические  методы. Из абсорбционных методов ультрафиолетовый метод имеет сравнительно меньшее распространение в связи с ограниченной избирательностью. Большинство приборов предназначено для определения содержания в воздухе паров ртути и хлора, известны ультрафиолетовые анализаторы для нитробензола и озона. Более предпочтителен с точки зрения избирательности ультрафиолетовый метод. Избирательность, высокая чувствительность, быстродействие, пригодность для непрерывных измерений, большой выходной эффект при малых приростах концентраций анализируемого газа обусловливают перспективность его для контроля 3В, несмотря на сложность инструментальных средств. Турбидиметрический, нефелометрический и радиоспектроскопический методы не получили широкого распространения для непрерывного контроля 3В. Применение анализаторов, основанных на поглощении газов лучистой энергии в видимой области спектра, вообще ограничено. В практике известны только приборы для измерения больших концентраций окислов азота.

Интерферометрический  метод применим лишь для бинарных смесей. Он получил распространение  для лабораторных аналитических  установок высокой точности, главным  образом для переносных ручных газоанализаторов. Попытки обнаружения интерферометром  примесей с близкими спектрами с  помощью логических схем и параллельных активных фильтров приводят к неоправданно сложным конструктивным решениям. Рефрактометрический  метод отличается высокой точностью, но, как и интерферометрический, не обладает избирательностью. Он используется преимущественно для анализа  бинарных смесей. Эмиссионный метод  используется в основном для определения  концентраций инертных газов в бинарных смесях.

Люминесцентный  анализ — один из самых высокочувствительных и быстрых физико-химических методов  обнаружения и идентификации  органических и неорганических веществ. Сохраняя избирательность фотоколориметрии, флуоресцентный метод позволяет  значительно повысить чувствительность. Однако люминесцентный анализ, как  правило, осуществляется с помощью  лабораторных приборов и применяется  для автоматического контроля. Разновидность  люминесцентного метода – хемилюминесцентный – не обладает избирательностью.

Масс-спектрометрические методы. Общим достоинством этих методов является прецизионность, избирательность и высокая чувствительность анализа не только газов, но и твердых и жидких аэрозолей, способных переходить в газообразное состояние при давлении 30 – 40 мм рт. ст., что в определенной мере обусловливает универсальность методов. Недостаток – громоздкостью проборов, высококвалифицированное обслуживание.

Абсорбционные методы. Недостатком всех разновидностей этих методов, кроме теплодинамического, является периодичность анализа. Тем не менее, газовые хроматографы наиболее универсальны из всех современных аналитических приборов, предназначенных для определения состава многокомпонентных газовых смесей. Сравнительная простота аппаратуры и возможность автоматизации делают метод перспективным для контроля 3В. Особенно большие возможности открывает комбинация хроматографического и масс-спектрометрического методов.

Аэродинамический  метод пригоден для измерения концентраций пыли более 500 мг/м³, предпочтителен для непрерывного контроля запыленности дымовых газов. Акустический метод отличается невысокой точностью: затухание звука зависит от многих параметров контролируемой среды – влажности, температуры, давления, вязкости и др. Оптический метод, в частности фотометрический, может обеспечить высокую чувствительность анализа при небольших скоростях движения среды (0,05 – 0,5 – 6 м/с), достаточную точность, стабильность и надежность показаний. Радиоактивный метод позволяет осуществить анализ пыли в диапазоне 0—50 мг/м³ с точностью 5%. Несмотря на сложность конструктивных решений, затрудняющих их использование в некомфортных условиях, высокая чувствительность радиоактивного метода обусловливает его перспективность для санитарно-химического контроля 3В.

Применение  лазеров дало новый могущественный толчок к развитию ОА-метода. Одной  из наиболее важных областей применения ОА-метода лазерной спектроскопии это  анализ количеств атомов и молекул. Наиболее эффективный этот метод  при детектировании примесей в газовых  средах, в том числе в воздухе. Разработаны опытные промышленные образцы лазерных оптико-акустических спектрометров и газоанализаторов, которые успешно используют для  контроля загрязнений воздуха, технологических  процессов. Этот наиболее рациональный путь создания газоанализаторов, которые  работают в ИК области спектра. Метод  имеет высокую селективность  и чувствительность.

 
  2.2. Средства измерения концентрации  загрязняющих веществ  
 

Существенной  проблемой при анализе качества воздуха и выработке действенных  мероприятий по поддержанию чистоты  воздушного бассейна является фиксация и оперативная оценка как временных, так и пространственных колебаний  концентраций отдельных ингредиентов. Временной фактор может быть обеспечен  автоматизацией и непрерывностью процесса измерения. Пространственная плотность  измерений в каждом конкретном случае выбирается на основе компромисса между  требуемой точностью и экономическими возможностями. Наблюдения за загрязнением воздуха обычно проводятся на стационарных, маршрутных и передвижных (подфакельных) постах.

Автоматические  контрольно-измерительные станции (АКИС) в зависимости от специфики  местных условий, частоты появления  и вредного воздействия различных  выбросов, как правило, рассчитаны на измерение концентраций одного или  нескольких ингредиентов из следующего ряда: SO₂, СО, NО_x, O₃, углеводороды (НС), Н₂S, СS₂, С1₂, НС1, НF, NН₃, галогенированные углеводороды, амины. Наряду с вредными ингредиентами обычно измеряются температура, влажность воздуха, скорость и направление ветра. Это позволяет установить корреляцию с метеорологическими и климатологическими данными для идентификации источников выбросов, анализа причин временных изменений загрязнения воздуха.

В Украине, институтом технической теплофизики  разработана АСКЗВ второго поколения.Опыт создания и эксплуатации подобных АСКЗВ  использован Минприбором Украины  при разработке системы АНКОС-АГ, предназначенной для серийного  внедрения. Назначение АНКОС-АГ, разработанной  НПО “Нефтепромавтоматика”, совместно  с рядом организаций, своевременное  представление данных о фактическом  и прогнозируемом состоянии воздуха  городов соответствующим потребителям для принятия оперативных и планирования перспективных мер по борьбе с  загрязнением. Система АНКОС-АГ предназначена  для функционирования в качестве одного из звеньев общегосударственной  автоматизированной системы контроля загрязнения окружающей среды.

 
  3. Методы и средства определения концентрации загрязняющих веществ  
  3.1. Методы определения  
 

Сброс загрязняющих веществ может осуществляться в различные среды: атмосферу, воды, почву. Выбросы в атмосферу являются основными источниками последующего загрязнения вод и почв в глобальном, а в ряде случаев и в региональном масштабе. Прямые измерения выбросов загрязняющих веществ являются наиболее эффективным способом контроля источников на локальном уровне. В глобальном масштабе приходится прибегать к  косвенным оценкам выбросов, исходя из потребления топлива, сырья, технологии производства.

Выбросы обычно разделяют на три основные группы: организованные, неорганизованные и распределенные. Организованные выбросы  обычно производятся из дымовых труб, их характеризует большая высота выброса (десятки и сотни метров), высокие концентрации и большие  объемы загрязняющих веществ. Неорганизованные выбросы связаны с поступлением загрязняющих веществ в атмосферу  из производственных помещений предприятий, концентрация и объем загрязняющих веществ, обычно бывают существенно  меньше, чем при организованных выбросах; выброс происходит на малых высотах  — от уровня земли до первых десятков метров. Распределенные выбросы в  основном связаны с транспортом, в первую очередь автотранспортом. Другой характерный источник распределенных выбросов – это обработка сельскохозяйственных угодий и других территорий ядохимикатами  с помощью авиации, при которой  часть веществ всегда остается в  воздухе.

Число антропогенных веществ, поступающих  в природные среды, постоянно  растет. Список только основных из них, имеющих достаточно широкое распространение  составляет не менее 30 тыс. и возрастает за год на 1—2 тыс. Главную роль в  загрязнении окружающей среды играет довольно ограниченное число веществ, не превышающее нескольких десятков.

Состав  выбросов. В выбросе обычно присутствую  целый ряд веществ. Состав выброса  определяется характером производства и его технологий.

Представляется  возможность выделить группу веществ, связанных со сжиганием ископаемого  топлива: угля, нефтепродуктов и газа на предприятиях, электростанциях и  транспорте.

При полном сжигании топлива в атмосферу  должны поступать углекислый газ  и пары воды, а также окислы серы, азота и минеральные частицы, химический состав которых может  сильно варьировать в зависимости  от исходных включений различных  соединений в топливо, Реально топливо  редко сгорает полностью.

Все газы и частицы, взаимодействуя с атмосферной  влагой и реагируя друг с другом, превращаются в атмосферные аэрозоли. Из экспериментальных измерений  аэрозолей, проведенных различными методами в самых разнообразных  районах, найдено, что аэрозоли можно  разделить на две группы, или фракции: тонкодисперсную и грубодисперсную, которые характеризуются определенными  размерами и элементным составом.

Основные  процессы образования и превращения  аэрозолей происходят в тонкодисперсной  фракции. Аэрозоли тонкодисперсной  фракции представляют собой ядра конденсации, частицы Айткена и  кумулятивные частицы.

Аэрозоли  грубодисперсной фракции представляют собой в основном твердые частицы, привнесенные в атмосферу и оседающие  под действием силы тяжести. В  зависимости от географического  района и химического состава  такие аэрозоли следует подразделять на четыре типа: городские, природные, промышленных районов и дымовых  факелов.

Городские аэрозоли хорошо описываются логарифмически-нормальным распределением по размерам. Основным источником ядер конденсации в городских  аэрозолях является автомобильный  транспорт, а субмикронных, или кумулятивных, частиц – промышленные объекты, в  то время как аэрозоли грубодисперсной  фракции целиком обусловлены  локальными источниками. То же относится  к сильно загрязненной атмосфере  примышленных районов. Концентрация аэрозолей  грубодисперсной фракции (частиц от 1 до 100 мкм) во всех типах остается практически  постоянной и составляет в объеме около 30 мкм³/см³.

Систематические измерения распределения аэрозолей  по размерам и их пространственно-временных  вариаций позволяют установить более  определенные взаимосвязи между  природными аэрозолями и распределением источников, ростом и превращением частиц, их удалением из атмосферы  и дальностью распространения благодаря  переносу их с воздушными массами. Для  идентификации аэрозоля с его  источниками важное значение имеет  измерение химического состава  частиц, содержащихся в воздушных  массах.

Удовлетворительных  способов измерения неорганизованных выбросов, а также выбросов от распределенных источников, в том числе от автотранспорта, практически нет.

Следует указать, что контроль может давать наибольший эффект, когда он осуществляется специализированными организациями  независимо от ведомств, которым принадлежат  источники выбросов.

 
  3.2. Дистанционные методы в исследованиях  загрязнения природной среды  
 

Регистрация загрязняющих веществ на станциях мониторинга  осуществляется инструментальными  и ручными методами. Концентрации исследуемых веществ измеряются непосредственно в пункте наблюдения, вблизи поверхности земли. Исключение составляют лишь наблюдения за интегральным количеством озона во всей толще  атмосферы на специальных озонометрических и фоновых станциях. На инструментальных и ручных методах основывается контроль выбросов организованными источниками. Между тем такие методы часто  оказываются недостаточными для  удовлетворительной количественной характеристики сложной пространственно-временной  структуры полей концентрации загрязняющих веществ. При мониторинге источников загрязнения эти методы не могут  обеспечить количественную характеристику выбросов не только неорганизованных и распределенных источников, но и  организованных, если их число достаточно велико.

Отмеченные  трудности получения достаточно надежных данных в принципе могут  быть преодолены при использовании  дистанционных малоинерционных  методов, позволяющих измерять концентрацию загрязняющих веществ в любой  заданной точке пространства с координатами х, у, z в момент времени t. Такие методы обычно называют дифференциальными.[2]

Наиболее  очевидными являются возможности дистанционных  методов, связанные с получением более детальной структуры полей  концентрации по сравнению с обычными измерениями на станциях.