Безопасность в техносфере, 2016, №2 (59)

№ 2 (59)/2016 
март–апрель

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ И ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЖУРНАЛ
SCIENTIFIC, METHODICAL AND INFORMATION MAGAZINE

В номере 
In this issue

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

Н.П. Тарасова, Т.А. Черкасова, М.М. Куготова, М.А. Мизиев
N.P. Tarasova, T.A. Cherkasova, M.M. Kugotova, M.A. Miziev
Сополимеры стирола и дивинилбензола с хромогенными  группами
для контроля окружающей среды  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 3
Copolymers of Styrene and Divinyl Benzene with Chromogenic Groups  
for Environment Control

ЭКологичесКая безопасность

ECologiCal SafEty

С.А. Бурцев, Дун Гэ
S.A. Burtsev, Dong Ge
Анализ целесообразности применения водородного топлива 
для двигателей ближне- и среднемагистральных самолетов  .  .  .  .  .  .  .  . 11
Feasibility Analysis of Hydrogen Fuel Using for Short  
and Medium Range Aircrafts’ Engines

В.М. Питулько, В.В Кулибаба, А.М. Дрегуло, В.В. Петухов
V.M. Pitulko, V.V. Kulibaba, A.M. Dregulo, V.V. Petukhov
Загрязнение тяжелыми металлами агроценозов от объектов  
прошлого экологического ущерба   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 18
Agricultural Cenosis Pollution by Heavy Metals from Past Ecological  
Damage Objects

безопасность труда
oCCupational SafEty

В.А. Капцов, В.Б. Панкова, А.В. Чиркин
V.A. Kaptsov, V.B. Pankova, A.V. Chirkin
О роли средств индивидуальной защиты органа слуха от вредного 
воздействия производственного шума  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 25
On a Role of Hearing Protection Equipment under Conditions  
of In-Plant Noise Harmful Impact

В. Н. Зинкин
V.N. Zinkin
Промышленные объекты и транспорт как источники низкочастотного 
шума и инфразвука: контроль и профилактика вредного действия  .  .  . 35
Industrial Facilities and Transport as Sources of Low-Frequency Noise  
and Infrasound: Harmful Action Control and Prevention

Свидетельство Роскомнадзора

ПИ № ФС77-44004
Издается с 2006 года
Учредитель:
Коллектив редакции журнала
Издается: 
при поддержке МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
Федерального учебно-методического объединения 
в системе высшего образования по укрупненной 
группе специальностей и направлений подготовки 
20.00.00 “Техносферная безопасность и 
природообустройство
Главный редактор 
Владимир Девисилов
Издатель:
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
Отдел предпечатной подготовки 
Белла Руссо
Выпускающий редактор 
Анастасия Путкова 
Тел. (495) 280-15-96 (доб. 501) 
e-mail: 501@infra-m.ru
Отдел подписки 
Маргарита Назарова 
Тел.: (495) 280-15-96 (доб. 249) 
e-mail: podpiska@infra-m.ru

Присланные рукописи не возвращаются.

Точка зрения редакции может не совпадать  
с мнением авторов публикуемых материалов.

Редакция оставляет за собой право самостоятельно  
подбирать к авторским материалам иллюстрации, менять 
заголовки, сокращать тексты и вносить в рукописи необходимую стилистическую правку без согласования с авторами. 
Поступившие в редакцию материалы будут свидетельствовать о согласии авторов принять требования редакции.

Перепечатка материалов допускается  
с письменного разрешения редакции.

При цитировании ссылка на журнал «Безопасность 
в техносфере» обязательна.
Письма и материалы для публикации  
высылать по адресу:  
127282, Россия, Москва, ул. Полярная,  
д. 31в, стр. 1, журнал «БвТ»  
Тел.: (495) 280-15-96 (доб. 501) 
Факс: (495) 280-36-29 
e-mail: magbvt@list.ru, mag12@infra-m.ru,  
bvt@magbvt.ru 
Сайты журнала:  
http://www.magbvt.ru, http://www. naukaru.ru

© ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М», 
2015

Формат 60×84/8.  Бумага офсетная № 1. 
Тираж 1000 экз.
Подписные индексы:  
в каталоге агентства «Роспечать» —  
18316, объединенном каталоге  
«Пресса России» — 11237

DOI 10 .12737/issn .1998-071X

промышленная безопасность

induStrial SafEty

А.Ю. Токарский, Н.Б. Рубцова, В.Н. Рябченко
A.Yu. Tokarskyi, N.B. Rubtsova, V.N. Ryabchenko
Напряжения, наводимые на грозозащитном тросе воздушной  
линии электропередачи, как фактор риска . Часть 2  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 43
Voltages Induced in Overhead Ground-Wire Cable as Risk Factor. Part 2

В.С. Котельников, Г.И. Грозовский, В.В. Сидорчук, В.В. Грот, А.Е. Бром
V.S. Kotelnikov, G.I. Grozovsky, V.V. Sidorchuk, V.V. Grot, A.E. Brom
Анализ риска возникновения пожара на калийных рудниках  .  .  .  .  . 57
Fire Risk Analysis in Potash Mines

методы и средства обеспечения безопасности

MEthodS and MEanS of SafEty

В.С. Спиридонов, В.А. Девисилов, А.Е. Крыловский
V.S. Spiridonov, V.A. Devisilov, A.E. Krylovskiy
Улавливание аэрозольных частиц фильтрами из пористых  
сетчатых металлов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 63
Aerosol Particles Capture by Filters Made of Porous Mesh Metals 

В.В. Тупов
V.V. Tupov
Расчет присоединенной длины концевого отверстия канала  без 
фланца при выполнении проектных акустических разработок .  .  .  .  .  . 69
The Calculation of the Cut-in Length of the End Hole of Channel Without 
Clamping Shoulder by the Acoustic Design Development

менеджмент рисКа

riSk ManagEMEnt

Э.А. Грановский
E.A. Granovskyi
Техническое регулирование безопасности промышленных  
объектов: определение допустимого риска  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 77
Technical Regulation of Industrial Facilities’ Safety

информируем читателя

inforMation

В.А. Девисилов
V.A. Devisilov
Заседание Федерального УМО «Техносферная безопасность  
и природообустройство»  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 84
The First Session of the Federal Educational and Methodological Association 
“Technosphere Safety and Environmental Engineering”: Results and Solutions

Всероссийская Неделя Охраны труда в г . Сочи,  
18–22 апреля 2016 г  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 85
All-Russian Week of Labour Protection in Sochi, 18-22 April 2016 

О подготовке специалистов по охране труда  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 87
On the training of labour protection specialist

Журнал «Безопасность в техносфере» включен в перечень 
ведущих научных журналов, в которых по рекомендациям 
ВАК РФ должны быть опубли кованы научные результаты 
диссертаций на соискание ученых степеней доктора  
и кандидата наук, а также в американскую базу периодических 
и продолжающихся изданий Ulrich’s и  базу лучших российских 
научных журналов, размещенную на платформе Web of Science 
в виде Russian Science Citation Index (RSCI) .

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
Александров Анатолий Александрович (Председатель совета),
ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана, зав. кафедрой, д-р техн. наук, 
профессор
Алёшин Николай Павлович, 
зав. кафедрой МГТУ им. Н.Э. Баумана, академик РАН,  
д-р техн. наук, профессор
Аткиссон Алан (Alan AtKisson) — Швеция (Sweden),
президент Atkisson Group, советник Комиссии ООН по 
устойчивому развитию, член Комиссии по науке и технологическому развитию при Президенте Еврокомиссии Жозе Мануэле 
Баррозу (EU Commission President’s Council of Advisors on Science 
and Technology)
Бабешко Владимир Андреевич,
зав. кафедрой Кубанского государственного университета, 
директор НЦ прогнозирования и предупреждения 
геоэкологических и техногенных катастроф, академик РАН,  
д-р физ.-мат. наук, профессор
Бухтияров Игорь Валентинович
директор НИИ медицины труда РАМН, д-р мед. наук, профессор
Гарелик Хемда (Hemda Garelick) — Великобритания (United Kingdom), 
Professor of Environmental Science and Public Health Education, 
School of Health and Social Sciences (HSSC) Middlesex University,
Programme Leader for Doctorate in Professional Studies Environment and Risk (HSSC), PhD.
Касимов Николай Сергеевич, 
декан географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 
вице-президент Русского географического общества,  
зав. кафедрой, академик РАН, д-р геогр. наук, профессор
Махутов Николай Андреевич, 
главный научный сотрудник Института машиноведения  
им. А.А. Благонравова РАН, руководитель рабочей группы  
при Президиуме РАН по проблемам безопасности, чл.-кор. РАН,  
д-р техн. наук, профессор
Мейер Нильс И . (Niels I . Meer) — Дания (Denmark), 
профессор Датского технического университета (дат. Danmarks 
Tekniske Universitet, DTU, англ. Technical University of Denmark)
Соломенцев Юрий Михайлович, 
президент МГТУ «Станкин», зав. кафедрой, чл.-кор. РАН, 
д-р техн. наук, профессор
Тарасова Наталия Павловна,
директор института  проблем устойчивого развития, 
заведующая кафедрой РХТУ им. Д.И. Менделеева,  
чл.-кор. РАН, д-р хим. наук

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
Васильев Андрей Витальевич,
зав. кафедрой Самарского государственного технического 
университета, д-р техн. наук, профессор
Вараксин Алексей Юрьевич, 
заведующий отделением Объединенного института высоких 
температур РАН, чл.-кор. РАН, д-р физ.-мат. наук, профессор
Власов Валерий Александрович, 
секретарь Совета Безопасности Республики Татарстан,  
канд. техн. наук, профессор, генерал-лейтенант
Девисилов Владимир Аркадьевич,
доцент кафедры МГТУ им. Н.Э. Баумана, канд. техн. наук
Дыганова Роза Яхиевна,
зав. кафедрой Казанского государственного энергетического 
университета, д-р биол. наук, профессор
Дьяченко Владимир Викторович,
заместитель директора по научной и учебной работе 
Новороссийского политехнического института (филиала) КубГТУ, 
профессор, канд. сел.-хоз. наук, д-р геогр. наук
Егоров Александр Федорович,
зав. кафедрой РХТУ им. Д.И. Менделеева, д-р техн. наук, профессор
Козлов Николай Павлович,
главный научный сотрудник НУК «Э» МГТУ им. Н.Э. Баумана,  
д-р техн. наук, профессор
Кручинина Наталия Евгеньевна,
декан инженерного экологического факультета, зав. кафедрой 
РХТУ им. Д.И. Менделеева, канд. хим. наук, д-р техн. наук, профессор
Майстренко Валерий Николаевич,
зав. кафедрой Башкирского государственного университета,  
чл.-кор. АН Республики Башкортостан, д-р хим. наук, профессор
Матягина Анна Михайловна,
доцент Московского государственного университета 
гражданской авиации, канд. техн. наук
Никулин Валерий Александрович,
исполнительный вице-президент Российской инженерной 
академии, ректор Камского института гуманитарных  
и инженерных технологий,  д-р техн. наук, профессор
Павлихин Геннадий Петрович,
д-р техн. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана
Петров Борис Германович,
руководитель Приволжского Управления Ростехнадзора,  
канд. техн. наук, профессор
Пушенко Сергей Леонардович,
директор ИИЭС Ростовского государственного строительного 
университета, канд. техн. наук, профессор
Рахманов Борис Николаевич,
профессор Московского государственного университета путей 
сообщения, д-р техн. наук
Реветрио Роберто ( Roberto Revetrio)
д-р наук (PhD), профессор Университета Генуи, Италия
Рубцова Нина Борисовна,
заведующая научным координационно-информационным 
отделом ГУ НИИ медицины труда РАМН, д-р биол. наук
Севастьянов Борис Владимирович,
зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности»  
Ижевского государственного технического университета,  
канд. пед. наук, д-р техн. наук, профессор
Сущев Сергей Петрович, 
генеральный директор ООО «Центр исследований 
экстремальных ситуаций», д-р техн. наук, профессор
Трофименко Юрий Васильевич,
зав. кафедрой Московского автомобильно-дорожного института 
(государственного технического университета),  
д-р техн. наук, профессор
Федорец Александр Григорьевич,
директор Автономной некоммерческой организации  
«Институт безопасности труда», канд. техн. наук, доцент

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

Безопасность в техносфере, №2 (март–апрель), 2016
3

УДК 543.26:543.3 
DOI: 10.12737/20789
Сополимеры стирола и дивинилбензола  
с хромогенными группами для контроля  
окружающей среды

Н.П. Тарасова, директор, заведующая кафедрой, член-корр. РАН, д-р хим. наук 
Т.А. Черкасова, ведущий научный сотрудник, канд.хим.наук 
М.М. Куготова, магистрант 
М.А. Мизиев, аспирант

Кафедра ЮНЕСКО «Зеленая химия для устойчивого развития» Института химии и проблем устойчивого развития Российского химикотехнологического университета имени Д.И.Менделеева (РХТУ),  г. Москва

e-mail:  tacherPUR@yandex.ru

В настоящее время используемые в России средства индикации в экспрессных 
методах анализа для контроля окружающей среды имеют большой разброс по 
точности определения вредных веществ. При внедрении новых средств визуальной индикации необходимо экспериментально показать, что они пригодны 
для решения предполагаемых задач с минимальной погрешностью результатов 
анализа концентрации ионов загрязняющих и опасных веществе. В статье рассмотрены твердофазные цветные индикаторы многоразового использования 
на основе сополимеров стирола и дивинилбензола, содержащие в своей структуре хромогенные группы, и оценена возможность их использования на практике 
после оцифровки цвета и оценки точности методик экспрессного анализа на 
ряде водных объектов для выявления их токсико-экологического состояния.

Ключевые слова:  
твердофазные индикаторы,  
макеты шкал,  
цветовоспроизведение,  
токсикометрия,  
контроль качества окружающей среды, 
экологический контроль,  
контроль биосферы.

1 . Методы экспрессного анализа содержания 
вредных веществ
В настоящее время в практике экспрессного анализа количественного содержания различных веществ в окружающей среде широко востребованы 
малогабаритные устройства, работающие на источниках питания (аккумуляторах, батарейках), рассчитанных на 100–400 ч работы. Однако малогабаритные 
рН-метры имеют ряд недостатков, сокращающих 
область их применения. Использование электрода 
с пластиковой мембраной не позволяет проводить 
измерение в горячих растворах, в агрессивных средах, органических растворителях, а также  они должны в дальнейшем утилизироваться как отработавшие 
приборы. 
Для выпускаемых в  широком ассортименте комплектов для экспрессного анализа различных ионов 

на бумажном носителе характерен большой разброс 
погрешности при определении вредных веществ. Для 
бумаг одноразового использования погрешность составляет 5–50%, а для трубок с наполнителем, пропитанным индикатором, 5–20% [1]. Для желатиновых 
пленок, модифицированных металлоиндикатором, 
относительная погрешность тест-определения суммы металлов по визуальной шкале не превышает 
30% [2]. Описан метод определения суммарного количества в воде Pb(II), Mn(II), Co(II), Ni(II), Cd(II), 
Cu(II) и Zn(II), основанный на сочетании сорбционно-спектроскопического и визуально-тестового методов с использованием реагентной индикаторной 
бумаги с ковалентно закрепленным формазаном [3].
Формально производными неизвестного в свободном 
виде формазана являются соединения с общей формулой R1N=N–CR2=N–NHR3 [3]. 

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

4

В ряде работ для создания тест-полосок используется целлюлоза, обработанная эпихлоргидрином и 
далее селективным реагентом, в том числе формазаном. Однако целлюлоза как природный полимер имеет характерные для них недостатки: неустойчивость 
к воздействию микроорганизмов и высокая стоимость [4, 5]. Тем не менее, на этой основе разработаны 
реагентные бумажные тесты для определения ионов 
алюминия, нитрит-иона и пероксида водорода в природных и технологических объектах. При этом РИБАлюминий-Тест по чувствительности на три порядка 
превосходит индикаторные полоски фирмы MEPCK 
(Германия) — MEPCKOQUANT ALUMINIUM — 
TEST [6]. В настоящее время для внедрения новых 
средств визуальной индикации объектов окружающей среды (ОС) необходимо иметь экспериментальное доказательство того, что эти средства пригодны 
для решения предполагаемых задач, не нанесут вреда 
окружающей среде и дешевле известных и вышеупомянутых средств. 
Разработка методик экспрессного анализа с визуальной индикацией состояния объектов окружающей среды с низкими погрешностями определения 
содержания веществ актуальна и востребована. Единого подхода к построению цветовой шкалы нет. Для 
регистрации изменения цвета тестирующего средства используют такой  параметр, как разные оттенки 
цвета (параметр разнооттеночности), но он оказался 
недостаточно точным для визуального наблюдения 
различия окраски соседних оттенков тест-образцов 
по цветовой шкале [7]. Показано, что этот параметр 
не универсален для различных твердых матриц (модифицированного пенополиуретана, реагентной индикаторной бумаги) и не применим для окрашенных 
прозрачных желатиновых пленок [8, 9]. Опыт проведенных исследований по построению цветовой шкалы 
показывает, что точность результата тест-анализа зависит от правильного цветовоспроизведения используемой цветовой шкалы. Определение параметров 
цвета диффузно отражающих объектов в любой из 
колориметрических систем связано с измерением их 
спектров отражения, что усложняет конструкцию колориметрических приборов и повышает их стоимость. 
В данной работе для более точного измерения 
параметров цвета диффузно отражающих объектов 
сделана попытка добиться этого с применением колориметрической системы RGB, эффективно показавшей себя при разработке колориметрического датчика на основе трехэлементного RGB-фотодиода [10]. 
Эта аддитивная цветовая модель описывает способ 
синтеза цвета для цветовоспроизведения с последу
ющей обработкой результатов эксперимента методом 
регрессионного анализа. Цель данной работы – оценить пригодность твердофазных цветных индикаторов на основе сополимера стирола и дивинилбензола 
для экспрессного метода контроля токсико-экологического состояния объектов окружающей среды с 
минимальной погрешностью результатов определения концентрации ионов загрязняющих и опасных 
веществ в водной среде.

2 . Материалы и методы исследования
Для решения поставленной задачи были исследованы разрабатываемые нами сополимеры стирола 
и дивинилбензола, содержащие в своей структуре 
химически связанные индикаторы [11]. Они быстро 
регенерируются и могут быть использованы многократно без изменения своих свойств. Кроме того, они 
имеют яркую несмываемую окраску, стабильную и 
быструю обратимость цвета при изменении ионного 
состава в растворе, обладают химической и термической стабильностью (323–363К) в зависимости от 
реагента, иммобилизованного1 на сополимере. Они 
могут быть использованы как самостоятельные средства индикации и как сенсорные элементы, отклик 
которых детектируется на твердой фазе. 
Реагирование твердофазных цветных индикаторов на изменение ионного состава воды на примере 
модельных растворов и природных объектов проводили следующим образом: в колбу объемом 50 мл 
вносили 25 мл исследуемой воды и помещали 0,5 г ± 
0,002 г твердофазного индикатора, предварительно 
промытого дистиллированной водой до стабильной 
нейтральной  или кислотной формы. Для измерения использовали индикатор с влажностью не ниже 
20–30%, выдерживали 20 минут и делали измерения 
pH на pH-метре-иономере (модель ЭКОНИКС-ЭКСПЕРТ-001). Параллельно проводили измерения с 
использованием малогабаритных рН-метров pHep 
и Checker by HANNA. Фиксирование цвета полученных растворов проводили с помощью цифрового 
аппарата Panasonic Lumix(модель DMC-FZ1).  Полученные параметры вводили в компьютер и по программе SNAGIT (версия 8.2.3 академическая версия 
Tech Smith) разлагали в системе RGB с последующей 
обработкой методом регрессионного анализа. Каждый цвет (красный, зеленый, голубой) изменялся в 
диапазоне 0–255. Содержание ионов металлов в модельных растворах и в исследуемой воде анализировали методом атомно-абсорбционной спектроскопии 
(ААС) в Центре коллективного пользования (ЦКП) 
РХТУ имени Д.И.Менделеева. 

1 
Иммобилизованного — включенного в матрицу полимера.

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

Безопасность в техносфере, №2 (март–апрель), 2016
5

Регенерацию2 с переводом индикатора в Н+ форму 
проводили 1%-м водным раствором HCl, выдерживая в нем 3–5 мин. Затем промывали дистиллированной водой до отсутствия Cl–-иона в промывных 
водах. (Промывку водой можно осуществить в колбе, 
в стакане с пористым фильтром и т.д.) На 500 мг индикатора расходовалось 10 мл 1%-го водного раствора HCl и около 250 мл воды. 
При переводе индикатора в Na+-форму индикатор заливали 1%-м водным раствором NaOH и выдерживали 3–5 мин. Затем промывали дистиллированной водой до рН 6,5±0,2. На 500 мг индикатора 
расходовалось 10 мл раствора NaOH и 450–500 мл 
воды.
Для каждого индикатора были составлены шкалы 
с привлечением аддитивной цветовой модели RGB, 
описывающей способ синтеза цвета для цветовоспроизведения в цифрах. Каждый опыт воспроизводили трижды с последующим расчетом стандартного 
отклонения.

3 . Результаты и обсуждение
В табл.1 приведены результаты предварительной 
оценки точности измерения рН и кодов оцифрованного цвета RGB на примере индикатора ИП-ТС. Как 
видно, параметры точности замера рН и оттенков цвета достаточно корректны, что позволило составить 
макеты шкал «pH–цвет» для проведения исследования на натурных объектах и провести апробацию полимерных индикаторов на воде различной природы. В 
табл. 2–4 приведены макеты шкал для твердофазных 
индикаторов: ИП-БФС, ИП-КК, ИП-ТС.
Практика использования индикаторов и макетов 
шкал показала, что устойчивость цвета в образцах 
разного оттенка сополимера стирола и дивинилбензола сохраняется не менее двух лет. Наиболее высокая 
контрастность цвета проявляется у индикатора ИПКК. Замер рН и быстрое реагирование твердофазных 
индикаторов изменением цвета проходит за 1–2 мин.
Первичные исследования проводили на модельных 
растворах, cостав воды которых подбирался аналогич
2 
Регенерация — перевод индикатора в нужную рабочую форму.

Таблица 1
Параметры точности эксперимента на примере индикатора ИП-ТС

рН

Xср,
1,2
2,05
3,32
4,20
4,96
6,09
6,85
7,78
7,81
8,50
9,71

ст. откл,
0,1
0,03
0,04
0,13
0,03
0,02
0,04
0,07
0,03
0,03
0,01

% отн,
8,3
1,40
1,20
3,20
0,60
0,30
0,50
0,90
0,30
0,30
0,10

Среднее значение цифровых кодов оттенков цвета R, G, B для произвольно выбранных значений рН

рН = 2,05
рН = 3,32
рН =4,96
рН =7,81

Xср,
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B

244
109
1,5
246
139
3,00
241
183
10
141
116
27

ст. откл,
2,07
0,90
8,40
1,3
0,9
0,32
0,6
2,2
0,8
0,09
0,12
0,26

% отн,
5,00
1,00
0,32
3,4
1,20
1,5
1,58
4,06
1,22
12,5
14,4
7,0

Таблица 2
Макет шкалы «рН-цвет» для полимерного индикатора ИП-БФС

pH
7,2
5,5
2,3
1,8
1,4
1,0
0,5

Цвет ИП-БФС
темно-синий
темно-голубой
темно-зеленый
зеленый
светло-зеленый
  цвет травы
бежевый

Таблица 3
Макет шкалы «рН-цвет» для полимерного индикатора ИП-КК

pH
0,3
1,1
1,5
2,2
3,1
5,9
8,2
9,0

Цвет ИП-КК
ярко-  
красный
ярко-  
оранжевый
оранжевый
светло- 
оранжевый
бежевато- 
оранжевый
бежевый
коричневый
темно- 
коричневый

Таблица 4
Макет шкалы «рН-цвет» для полимерного индикатора ИП-ТС .

pH
1,2
2,1
3,3
4,2
5,0
6,9
7,8
8,5
9,7

Цвет ИП-ТС
вишневый
ярко-  
оранжевый
оранжевый
светлооранжевый
светлооранжевый
бежеватооранжевый
бежевый
светло-  
зеленый
зеленый

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

6

но воде подземных скважин. Также были проведены 
исследования на дистиллированной, водопроводной 
и речной воде. Взаимосвязь параметров «рН ~ R,G,B» 
была проверена методом регрессионного анализа по 
полученным экспериментальным данным.
Для индикатора ИП-ТС коэффициент корреляции 
равен 0,966 (7 экспериментальных точек); для ИП-БФС 
коэффициент корреляции для 6 экспериментальных 
точек равен 0,974; для ИП-КК — 0,940 (7 экспериментальных точек). Для построения шкалы с оценкой содержания ионов опасных веществ (в данной работе 
рассматривали ионы металлов) в исследуемой воде 
необходимо было определить взаимосвязь цифрового 
выражения цвета  и токсикометрического параметра 
по формуле «цвет–качество воды». Выбранный нами 
токсикометрический параметр контроля биосферы 
(КБ), который ранее был предложен для санитарной 
оценки эффективности обеззараживания воды [12], 
позволяет оценить отклонение найденного содержания ионов в воде от их нормированных концентраций. Найденное количественное содержание ионов 
металлов в приготовленных модельных растворах и 
в воде различной природы позволило рассчитать параметр КБ и оценить качество воды. Интегральный 
показатель по найденным металлам складывался из 
показателей КБ для всех определенных этим методом 
ионов металлов и был рассчитан по формуле для каждого исследованного объекта:

 

1

n

i=

КБ =     Ci /ПДКрыб. хоз. i 
∑
∑
, 

где: Сi — найденное содержание иона металла i в воде, 
мг/л; ПДКрыб. хоз. i — нормированная концентрация 
иона металла i в воде водоемов рыбохозяйственного 
назначения, мг/л [13]. 
Модельные системы, имитирующие подземные 
воды, отличались величиной рН, составом компонентов и показателем ΣКБ. Для консервирования 
растворы были приготовлены на дистиллированной 

воде с добавлением 2 мл 35%-ной азотной кислоты. 
В табл. 5 приведены результаты исследования с рассчитанным показателем КБ для найденных значений 
концентраций ионов металлов в исследуемом модельном водном растворе №1. Во всех трех растворах 
наблюдали изменение цвета даже при незначительном изменении ионного состава. При этом все три 
индикатора изменяли свою окраску практически при 
одной величине рН = 2,2 ± 0,1. Рассчитанный показатель ΣКБ для раствора №1 составил 878.
Для модельного раствора №2 показатель ΣКБ 
равнялся 8,62, в составе которого методом атомноабсорбционной спектроскопии (ААС) определено содержание ионов Na, K, Ca, Mg, Fe, Cu, Zn и ΣКБ = 9,38  
для раствора №3 состава Ca, Na, Cr, Fe, Zn, Cu, Pb. Как 
видно, по всем трем исследованным растворам чем 
ниже нормированный показатель иона металла, тем 
больше его содержание отклоняется от нормы и тем 
опаснее токсико-экологическое состояние этого раствора.
Таблица 5
Концентрация ионов металлов в модельном растворе №1

Катион
Анион

Нормированное 
значение 
ПДКрыб . хоз . i, 
мг/л

Сi иона 
металла, 
мг/л

Среднеквадратическое 
отклонение, %

Токсикометрический 
показатель 
качества 
воды КБ

Cu
SO4
2–
0,001
0,387
0,16
387,3

Zn
SO4
2–
0,01
0,441
0,40
44,06

Pb
NO3
–
0,1
2,832
5,73
28,32

Ni       
Cl–
0,01
4,025
1,96
402,46

Co
SO4
2–
0,1
0,216
3,45
2,16

Fe
NO3
–
0,1
1,333
0,74
13,33

Cr
SO4
2–
0,07
0,012
6,45
0,17

Результаты фиксирования цвета трех индикаторов при их контакте с модельной подземной водой 
приведены в табл. 6. Все три индикатора четко изменяли свой исходный цвет, цифровые коды RGB значительно менялись, подтверждая это.

Таблица 6
Изменение цвета индикаторов в модельном растворе №1

Исходный цвет индикатора

Цифровые коды  
оттенков цвета  
исходного индикатора 

Цвет индикатора  
в растворе

Цифровые коды оттенков 
цвета индикатора после 
контакта с раствором

R
G
B
R
G
B

ИП-БФС
Светло-зеленый 
рН=1,4
164
164
20
Темно-зеленый  
рН=2,3
2
100
3

ИП-ТС
Вишневый  
рН=1,2
123
36
117
Темно-оранжевый  
рН=2,1
226
138
5

ИП-КК
Яркий красно-оранжевый 
рН=1,1
244
10
10
Светло-оранжевый  
рН=2,2
255
179
102

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

Безопасность в техносфере, №2 (март–апрель), 2016
7

Возможность использования на практике твердофазных цветных индикаторов на основе сополимера стирола и ДВБ была проверена в экспрессном 
анализе  суммарного содержания ионов металлов в 
воде различной природы. Результаты исследования 
московской водопроводной и речной воды (река Братовка, Северо-Западный административный округ 
г. Москва, район “Северное Тушино”) по сравнению с 
дистиллированной водой приведены в табл. 7.
Для дистиллированной воды показатель ΣКБ равен 
3,4, для водопроводной воды (“Миусы”)  – 30,0   и для 
речной (река Братовка, “Тушино”) – 20,0. Незначительное изменение в воде ионного состава четко отражается на изменении окраски индикатора. Для сравнения 
метода экспрессного замера рН воды различной природы были использованы рН-метры рНep и Checker 
by HANNA. Измеренные величины рН-метрами pHep 
by HANNA и ЭКОНИКС-ЭКСПЕРТ-001 показали лучшую сходимость результатов, в отличие от прибора 
Checker by HANNA, результаты замера которым были 
нестабильны. Индикатор ИП-БФС продемонстрировал 

менее контрастную окраску по сравнению с индикаторами ИП-ТС и ИП-КК. В речной и водопроводной воде 
отмечено превышение нормированного содержания 
по цинку в 3,1 раза и по свинцу в 1,3 раза в соответствии с рассчитанными величинами КБ (табл. 7).
В табл. 8 приведены цвета индикатора и рассчитанный показатель. Переходы изменения окраски 
твердофазных цветных индикаторов заметно отличаются от окраски растворимых индикаторов. 
В то же время для твердофазных индикаторов характерно большее количество переходных смен 
окраски, что, по-видимому, связано со структурой 
сополимера, влияющей на бензоидно-хиноидную 
перегруппировку3 в различных средах. Известно, 
что пространственная структура трехмерной матрицы может определять как равновесные, так и кинетические и динамические свойства макропористых 
сополимеров [14]. Матрица сополимеров трехмерной структуры обусловливает ряд контролируемых 
характеристик: расстояние между узлами сшивок, 
подвижность фрагментов между узлами, количество 

Таблица 7
Найденное содержание ионов металлов в воде различной природы

Катион
Анион

Нормированное 
значение 
ПДКрыб.хоз. 
мг/л

Найдено Сi иона металла, мг/л в воде:
Токсикометрический показатель качества 
воды, КБ

дистилли- 
рованная  
вода

водопроводная вода 
(Миусы)

вода реки 
Братовка  
(Тушино)

дистилли- 
рованная  
вода

водопроводная вода 
(Миусы)

вода реки 
Братовка  
(Тушино)

Cu
SO4
2–
0,001
0,001
0,013
0,013
1,1
12,6
13,2

Zn
SO4
2–
0,01
0,012
0,164
0,053
1,2
16,4
5,30

Pb
NO3
–
0,1
0,0009
0,009
0,0074
0,009
0,09
0,07

Ni
Cl–
0,01
0,0003
–0,0004
–0,002
0,03
0,04
0,19

Co
SO4
2–
0,1
0,0001
–0,003
–0,003
0,001
0,03
0,03

Fe
NO3
–
0,1
0,002
0,002
–0,001
0,02
0,02
0,01

Cr
SO4
2–
0,07
0,004
0,007
0,007
0,06
0,10
0,09

Са
Cl–
180
0,462
49,03
75,0
0,003
0,30
0,40

Mg
CO3
240
0,013
15,08
20,4
0,0003
0,40
0,50

3 
Бензоидно-хиноидная перегруппировка — ионизация раствора часто способствует образованию хиноидной формы 
соединения, что вызывает изменение окраски соединений.

Таблица 8
Изменение цвета индикаторов и суммарный показатель КБ

Тип воды и исходная окраска индикаторов
Значения рН замеренные:
∑КБ
Цвет индикатора  
после контакта с водой
ЭКОНИКСЭКСПЕРТ-001
pHep by 
HANNA
Checker by 
HANNA

Речная (Тушино), ИП-ТС (цвет вишневый)
7,78
7,70
6,73
19,8
Темно-бежевый

Водопроводная ИП-ТС (цвет вишневый)
8,03
7,90
6,69
29,9
Зеленый

Речная (Тушино), ИП-КК (ярко-оранжевый)
7,64
7,40
6,07
19,8
Светло-коричневый

Водопроводная ИП-КК (ярко-оранжевый)
8,13
7,90
6,18
29,9
Темный красно-коричневый

Речная (Тушино), ИП-БФС (темно-синий)
4,22
4,10
4,30
19,8
Сине-зеленый

Водопроводная ИП-БФС (темно-синий)
6,58
6,60
5,81
29,9
Синий

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

8

и размер пор, набухаемость, осмотическую и механическую прочность, а также расход реагентов на стадии регенерации, что важно для многоразового использования полимерных индикаторов.
Проведенные исследования качества питьевой воды в другом регионе (Кабардино-Балкарская 
респуб лика, село Булунгу) также позволяют оценить  
изменение ионного состава  в исследуемой питьевой 
воде. Как видно по данным табл. 9, качество питьевой 
воды в этом месте значительно отличается от питьевой воды урбанизированных территорий. Можно ли 
считать сорбентами–концентраторами исследованные нами твердофазные цветные индикаторы, пока 
не ясно. Известно, что наиболее активно сорбируются свободные ионы металлов и их лабильные формы, 
а препятствуют адсорбции, как правило, процессы 
комплексообразования с природными органическими лигандами [15]. 
Индикаторы реагировали на любое изменение 
ионного состава в исследованной воде различной 
природы, на которой был проведен эксперимент. 
Элюция ионов, сконцентрированных в твердофазном индикаторе азотной кислотой, не показала присутствия ионов металлов в элюате (определялись 
методом ААС), возможно, из-за меньшей чувствительности способа атомизации в используемом приборе или слабого концентрирования.

Заключение
На питьевой воде, модельных и натурных объектах было показано, что незначительное измене
ние ионного состава растворов влияет на изменение 
окраски исследуемого индикатора, на величину токсико-метрического показателя КБ и на рН. Оцифровка оттенков цвета индикаторов позволила повысить 
точность тест-шкал и значительно снизить погрешность визуальной индикации объекта. Легкая и простая регенерация индикаторов позволяет использовать их многократно. Оттенки цвета сохраняются 
в течение двух лет. Вероятно, каждая твердофазная 
органическая или неорганическая основа с нанесенным тем или иным способом индикатором в соответствии с литературными источниками действительно требует индивидуального подхода к построению 
шкал для каждого целевого использования. Твердофазные цветные индикаторы на основе гранульных 
сополимеров стирола и дивинилбензола благодаря 
подвижности своей бензоидно-хиноидной системы 
могут быть рекомендованы как самостоятельное 
средство индикации и как сенсорные элементы, отклик которых детектируются на твердой фазе. 

Результаты получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки №5.2598.2014/К 
на выполнение научно-исследовательской работы в 
рамках проектной части государственного задания в 
сфере научной деятельности.

Обозначения
АО — административный округ
ИП-БФС — индикатор полимерный с иммобилизованным бромфеноловым синим
ИП-КК — индикатор полимерный с иммобилизованным 
крезоловым красным
ИП-ТС — индикатор полимерный с иммобилизованным 
тимоловым синим
ДВБ — дивинилбензол 
КБ — показатель контроля биосферы
ΣКБ — суммарное значение показателей КБ для определяемого элемента
ОС — окружающая среда
РИБ — реагентная индикаторная бумага
СЗ — Северо-Западный округ
ЦКП — Центр коллективного пользования

Таблица 9
Оценка качества питьевой воды  села Булунгу

Характеристика
Значение
Исходный цвет ИП-ТС
вишневый
pН воды
7,59
Цвет ИП-ТС в воде тестируемой индикатором оранжевый
Время изменения цвета ИП-ТС при контакте 
с водой, мин
1–2

Время изменения цвета ИП-ТС при длительном контакте с водой, мин
1440 и далее  
без изменения

Токсико-метрический параметр ΣКБ
0,19

Литература
1. Патент RU 2489715 Способ определения монометиланилина в автомобильном бензине индикаторным тестовым средством (опубл. 2013). Островская В.М., Сергеев С.М., Шарапа О.В. Опубликовано 10.08.2013.
2. Решетняк Е.А., Никитина Н.А., Логинова Л.П. и др. 
Протолитические и комплексообразующие свойства 
индикаторов в среде желатинового геля.//Вестник 

Харьковского национального университета. 2005. 
№ 669. Химия. Вып.13(36). С. 67–82.
3. Решетняк Е.А., Шевченко В.Н., Островская В.М. и др. 
Индикаторная бумага для определения суммарного содержания тяжелых металлов в водных средах. // Вода: 
химия и экология. 2015. №2. С. 65–71. Рубрика: Аналитические методы и системы контроля качества воды.

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

Безопасность в техносфере, №2 (март–апрель), 2016
9

4. Патент RU 2284520 Реагентная индикаторная бумага 
для определения алюминия (опубл.2006). Островская 
В.М., Золотов Ю.А., Цыганков А.В., Прокопенко О.А., 
Маньшев Д.А. 
5. Цыганков А.В. Диссертация, к.х.н., код специальности 
ВАК: 02.00.02, специальность: Аналитическая химия, 
год защиты:2010, канд.хим наук, 119 с.
6. Решетняк Е.А., Никитина Н.А. Влияние материала носителя на предел обнаружения при визуальном тестировании // Вестник Харьковского национального университета. Химия. 2007. Т.15 (38), № 770. С.119–125. 
7. Решетняк Е.А., Холин Ю.В., Шевченко В.Н. Построение 
цветовых шкал для визуальной колориметрии. Представление результатов анализа. // Методы и объекты 
химического анализа. 2011. Т. 6. № 4. С. 188-197.
8. Васенко А.Г., Верниченко А.А., Верниченко-Цветков Д.Ю. Некоторые аспекты построения оценочных 
шкал экологических классификаций поверхностных 
вод // Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2013. 
Вып.8. С. 146–153.
9. Иванов В.М., Кузнецова О.В. Химическая цветометрия: 
возможности метода, области применения и перспективы. // Успехи химии. 2001. Т. 70. Вып. 5. С.411–428.
10. Белов Н.П., Грисимов В.Н., Яськов А.Д. Лабораторный 
спектрометр для исследования коэффициента отраже
ния и определения параметров цветности диффузно 
отражающих объектов / Известия вузов / Приборостроение. 2010. № 7. С. 74–78.
11. Авт. свид. SU №1392073, (опубл. 1988). Сшитый сополимер стирола и дивинилбензола, содержащий хромогенную группу в качестве рН-индикатора среды для 
визуального контроля. Ягодин Г. А., Черкасова Т. А., 
Лейкин Ю. А. и др. БИ № 16 от 30.04.88, с.120.
12. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно-допустимые 
концентрации химических веществ в окружающей 
среде. Справочник — Л.: 1985. С. 465–466.
13. Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы предельно-допустимых концентраций вредных веществ 
в водных объектах рыбохозяйственного значения от 
09.02.2010 г. Федеральное агентство по рыболовству. 
Номер регистрации № 16326. 
14. Лейкин Ю.А. Физико-химические основы синтеза полимерных сорбентов / Ю.А. Лейкин. — М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 413 с.
15. Линник П.Н. Содержание лабильной фракции металлов в поверхностных водах как важный элемент при 
оценке их потенциальной токсичности // Гидробиологический журнал. — 2010. — Т.46, № 6, с. 90–105.

References
1. Ostrovskaya V.M., Sergeev S.M., Sharapa O.V. Sposob 
opredeleniya monometilanilina v avtomobil’nom benzene 
indikatornym testovym sredstvom [A method for 
determining monomethylaniline in automotive gasoline 
indicator test tool]. Patent RU, no. 2489715, 2013. (in 
Russian)
2. Reshetnyak E.A, Nikitina N.A, Loginova L.P. et. 
Protoliticheskie i kompleksoobrazuyushchie svoystva 
indikatorov v srede zhelatinovogo gelya [Protolytic and 
complexing properties of the indicators in the medium 
gelatin gel]. Vestnik Khar’kovskogo natsional’nogo 
universiteta [Bulletin of Kharkiv National University]. 
2005, I. 669. Khimiya [Chemistry], I. 13(36), pp. 67–82. (in 
Russian)
3. Reshetnyak E.A., Shevchenko V.N., Ostrovskaya V.M. et. 
Indikatornaya bumaga dlya opredeleniya summarnogo 
soderzhaniya tyazhelykh metallov v vodnykh sredakh [Test 
paper for the determination of the total content of heavy 
metals in aquatic environments]. Voda: khimiyaiekologiya 
[ Water: chemistry and ecology], 2015, I. 2, pp. 65-71. (in 
Russian)

4. Ostrovskaya V.M., Zolotov Y.A., Tsygankov A.V., 
Prokopenko O.A.,  Man’shev D.A. Reagentnaya 
indikatornaya bumaga dlya opredeleniya alyuminiya [The 

reagent test paper for the determination of aluminum]. 
PatentRU, no. 2284520, 2006. (in Russian).
5. Tsygankov A.V. Test-sredstva dlya opredeleniya 
alyuminiya, nitrata i peroksida vodoroda na osnove 
tsellyuloznykh nositeley s kovalentno zakreplennymikh 
romogennymi reagentami. Kand. Diss. [Test means for 
the determination of aluminum nitrate and hydrogen 
peroxide based on cellulosic carrier with covalently fixed 
chromogenicreagents. Cand. Diss]. Moscow, 2010. 119 p.

6. Reshetnyak E.A., Nikitina N.A. Vliyanie materiala nositelya 
na predel obnaruzheniya pri vizual’nom testirovanii [The 
impact of the support material to the limit of detection 
by visual testing]. Vestnik Khar’kovskogo natsional’nogo 
universiteta [Bulletin of Kharkiv National University]. 2007, 
V. 15(38), I. 770, pp. 119–125. (in Russian)
7. Reshetnyak E.A., Choline Y.V., Shevchenko V.N. 

Postroenie tsvetovykh shkal dlya vizual’noy kolorimetrii 
[Construction of color scales for visual colorimetry]. 
Metody iob”yektyk himicheskogo analiza [Methods and 
objects of chemical analysis]. 2011, V.6, I. 4, pp. 188–197. (in 
Russian)

8. Vasenko A.G., Vernichenko A.A., Vernichenko-Tsvetkov 
D.Y. Nekotorye aspekty postroeniya otsenochnykh 
shkal ekologicheskikh klassifikatsiy poverkhnostnykh 
vod [Some aspects of building environmental rating 

Контроль и мониторинг
Control and Monytoring

10

scales classification of surface water]. Ekosistemy, ikh 
optimizatsiya i okhrana [Ecosystems, their optimization 
and security]. 2013, I. 8, pp. 146-153. (in Russian)
9. Ivanov V.M., Kuznetsova O.V. Khimicheskaya 
tsvetometriya: vozmozhnosti metoda, oblasti primeneniya 
i perspektivy [Chemical colorimetry: possibilities of the 
method, scope and perspectives]. Uspekhi khimii [Russian 
chemical Reviews]. 2001, V. 70, I. 5, pp. 411–428. (in 
Russian) 
10. Belov N.P., Grisimov V.N., Yaskov A.D. Laboratornyy 
spektrometr dlya issledovaniya koeffitsienta otrazheniya 
i opredeleniya parametrov tsvetnosti diffuzno 
otrazhayushchikh ob”ektov [Laboratory spectrometer for 
the study of the reflection coefficient and determination of 
color parameters of diffusely reflecting objects]. Izvestiya 
vuzov/Priborostroyeniye [Proceedings of the universities / 
Instrumentation]. 2010, I. 7, pp. 74–78. (in Russian)
11. Yagodyn G.A., Cherkasova T.A., LeikinY.A. et. Sshityy 
sopolimer stirola i divinilbenzola, soderzhashchiy khromogennuyu gruppu v kachestve pH-indikatora sredy dlya 
vizual’nogo kontrolya [Crosslinked styrene divinylbenzene 
copolymer containing group as a chromogenic pH-indicator for visual environment control]. Inventor’s CertificateSUno. 1392073, 1988, 120 p. (in Russian)

12. Bespamyatnov G.P., Krotov Y.A. Predel’no-dopustimyye 
kontsentratsii khimicheskikh veshchestv v okruzhayushchey srede [Maximum allowable concentration of environmental chemicals]. Leningrad, 1985, pp. 465–466
13. Normativy kachestva vody vodnykh ob”ektov rybokhozyaystvennogo znacheniya, v tom chisle normativy 
predel’no-dopustimykh kontsentratsiy vrednykh veshchestv 
v vodnykh ob”ektakh rybo-khozyaystvennogo znacheniya 
ot 09.02.2010 [Water Quality Standards fishery water 
bodies, including the standards of maximum permissible 
concentrations of harmful substances in the water bodies 
of fish-economic importance. 09.02.2010].  Federal Fishery 
Agency, I. 16326
14. Leikin Y.A. Fiziko-khimicheskiye osnovy sinteza 
polimernykh sorbentov [Physical and chemical bases 
of synthesis of polymeric sorbents]. Moscow, BINOM. 
Knowledge Lab Publ., 2011. 413 p.

15. Linnik P.N. Soderzhanie labil’noy fraktsii metallov v poverkhnostnykh vodakh kak vazhnyy element pri otsenke ikh 
potentsial’noy toksichnosti [The content of labile metal 
fractions in surface waters as an important element in the 
assessment of their potential toxicity]. Gidrobiologicheskiy 
zhurnal [Hydrobiological journal]. 2010, V. 46, I. 6, pp. 90–
105. (in Russian)

Copolymers of Styrene and Divinyl Benzene with Chromogenic Groups for 
Environment Control

N .P . Tarasova, Doctor of Chemistry, Correspondent Member of Russian Academy of Science, Director, Head of Chair, 
UNESCO Chair “Green Chemistry for Sustainable Development”, Institute of Chemistry and Sustainable Development 
Problems, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia
T .A . Cherkasova, Ph.D. in Chemistry, Leading Researcher, UNESCO Chair “Green Chemistry for Sustainable 
Development”, Institute of Chemistry and Sustainable Development Problems, D. Mendeleyev University of Chemical 
Technology of Russia
M .M . Kugotova, Master's Student, UNESCO Chair “Green Chemistry for Sustainable Development”, Institute of 
Chemistry and Sustainable Development Problems, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia
M .A . Miziev, Postgraduate Student, UNESCO Chair “Green Chemistry for Sustainable Development”, Institute of 
Chemistry and Sustainable Development Problems, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia

Now used in Russia means of indication in express analysis methods for environment control have a wide dispersion on 
hazardous substances determination accuracy. In case of visual indication’s new means implementation it is necessary to 
show experimentally that they are suitable for the solution of expected tasks with a minimum error for results of polluting 
and dangerous substances’ ions concentration analysis. Reusable solid-phase color indicators based on styrene and divinyl 
benzene copolymers containing chromogenic groups in their structure have been considered in this paper and these solidphase color indicators practical use possibility assessment after color digitization, and express analysis techniques accuracy 
assessment on a number of water objects for identification of their toxico-ecological condition has been carried out.

Keywords: solid-phase indicators, scales simulations, color reproduction, toxicometry, environment quality control, 
ecological control, biosphere control.

Экологическая безопасность
Ecological Safety

Безопасность в техносфере, №2 (март–апрель), 2016
11

УДК 504.75.05  
DOI: 10.12737/ 20791
Анализ целесообразности применения  
водородного топлива для двигателей  
ближне- и среднемагистральных самолетов

С.А. Бурцев, доцент, канд. техн. наук1
Дун Гэ, Ph.D., профессор2

1 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Москва, Россия
2 School of Aerospace Engineering, Tsinghua University, Beijing, China

e-mail: burtsev@bmstu.ru, serg7573@yandex.ru, dongge@tshighua.edu.cn

Выполнен анализ схемных решений перспективной силовой установки для ближне- и среднемагистральных самолетов. Показано, что использование двигателей традиционных схем, работающих на авиационном керосине ТС-1, не позволит выполнить экологические требования, выдвигаемые ИКАО к самолету 
2025–2035 гг. Переход на водород и/или сжиженный природный газ позволяет 
выполнить требования ИКАО по выбросам CO2. Однако это приведет к существенному увеличению стоимости перевозки (за счет инфраструктуры получения и хранения водорода и сжиженного природного газа). Применение комбинированных силовых установок, использующих  керосин и криогенное топливо, 
позволит повысить топливную эффективность и снизить эмиссию CO2 на 16% 
при работе на водороде и на 2,5–4,5% при работе на метане. При этом частичный переход на водородное топливо позволит выполнить требования ИКАО при 
сохранении стоимости перевозки.

Ключевые слова:  
авиационный двигатель,  
гибридная силовая установка,  
водород,  
альтернативное топливо,  
экологические требования.

1 . Введение
В настоящее время в пассажирской и транспортной авиации основной силовой установкой является 
двухконтурный турбореактивный двигатель со смешением потоков наружного и внутреннего контуров 
или без смешения. По этому пути идут как российские (ПС-90А2, ПД-14) и китайские (WS-20) производители, так и различные международные консорциумы (CFM56, V2500, SaM146).
Однако для перспективных самолетов гражданской авиации к 2025–2035 гг. прогнозируемый 
Международной организацией гражданской авиации (ИКАО, ICAO — International Civil Aviation 
Organization) уровень целевых показателей предполагает снижение расхода топлива на 60–70%, уменьшение на 50% уровня эмиссии по СО2 и на 75–80% — по 
NOx, снижение уровня шума в 2 раза и т.д. [1].

Если для снижения уровня шума можно использовать подходы, предложенные в [2], то с эмиссией вредных выбросов сложнее. Известно, что для обеспечения 
выполнения требований Рамочной конвенции ООН 
об изменении климата [3] уменьшение удельного расхода топлива, а также уровня эмиссии СО2 на пассажиро-километр на 50% может быть достигнуто лишь 
при одновременном улучшении аэродинамических 
характеристик самолёта (вклад в долях~20 %), эффективности двигателя (~40 %) и совершенствовании системы управления воздушным движением (~10 %) [4].
В качестве глобальной цели 37-я Ассамблея ИКАО 
наметила ежегодно до 2050 г. повышать топливную 
эффективность авиаперевозок на 2% [1]. Для реализации данной цели необходимо резко повысить эффективность двигателей перспективного самолета 
при одновременном снижении вредных выбросов, 

Экологическая безопасность
Ecological Safety

12

что нельзя реализовать за счет традиционных путей, 
связанных с совершенствованием формы лопаточного аппарата [5], регулированием торцевого зазора 
между лопатками [6], интенсификацией теплообмена 
[7] и т.д. Возможными путями достижения цели могут быть переход на новые виды топлива [8, 9] и/или 
изменение схемных решений силовой установки самолета (например [10, 11]).
В [4, 11] был выполнен анализ вариантов конструктивно-схемных решений для двухконтурных 
турбореактивных двигателей (ТРДД) со сложными 
термодинамическими циклами, с системой турбовинтовой двигатель — «открытый ротор» и т. д. Экологические аспекты применения данных схем силовых установок для ближне- и среднемагистральных 
самолетов были рассмотрены в [12], где показано, что 
при сохранении тенденций по изменению КПД узлов 
двигателя в соответствии с данными [4] при работе 
на авиационном керосине ТС-1 выполнить требования ИКАО [1] невозможно. Пути снижения вредных 
выбросов активно обсуждаются, но единого подхода 
к решению этого вопроса пока нет [13].

2 . Водород — топливо для двигателей 
и энергетических установок
Возможным путем выполнения требований ИКАО 
является применение в качестве топлива двигателей самолетов биотоплива [14], [15] или криогенного топлива 
(водорода или сжиженного природного газа) [16].
Водород представляет особый интерес по двум 
причинам: у него очень большая удельная теплота 
сгорания (120 МДж/кг против 44 МДж/кг для бензина), продукт сгорания водорода — вода, наличие 
которой не регламентируется требованиями ИКАО 
[1]. При этом водород может быть получен в ходе различных процессов: термохимических, электро- и фотолитических и биологических.
В ракетно-космической отрасли водород в качестве топлива используется уже несколько десятков 
лет. За этот период накоплен большой опыт использования ракетных двигателей и энергетических установок, отработаны технологии обеспечения экологической безопасности и аварийной защиты [17]. 
Областей использования водородной энергетики 
становится все больше. В 2008 г. в мире произведено 
60 млн т водорода, ежегодный прирост производства 
составляет примерно 4%, ожидается существенное 
его увеличение в ближайшем будущем [18].
Однако использование криогенного топлива (водорода или сжиженного природного газа) в силовых 
установках самолетов требует создания соответствующей инфраструктуры в аэропортах и изменения 

схемных решений силовых установок и/или компоновочных решений самолетов [4, 12].

3 . Получение и хранение водорода
Водород очень легкий и это вызывает много проблем при хранении. Если принять массу и объем, занимаемый сосудом Дьюара с жидким водородом за 
единицу, то переход к хранению сжатого водорода (при 
давлении 15 МПа) приводит к увеличению занимаемого объема в 5,5–6,0 раз, а массы в 15–20 раз (в зависимости от объема баллонов) [19]. Кроме того, водород 
можно рассматривать как газ, близкий к идеальному, 
только до давления порядка 10 МПа, а при давлении 
примерно 50 МПа график зависимости плотность–
давление существенно отклоняется от идеального, что 
приводит к резкому увеличению работы сжатия.
Аналогичная ситуация с использованием металлогидридов для хранения водорода. При допустимом 
объеме топливного бака его масса оказывается еще 
выше [20], чем для сжатого газа.
Соответственно для дальнейшего анализа возможного использования водорода в качестве авиационного топлива целесообразно рассматривать 
сжиженный водород, так как остальные варианты 
приводят к значительному увеличению массы системы хранения, что недопустимо в авиации.
В настоящее время большая часть водорода получается путем термохимических процессов: паровой 
конверсией (реформингом) метана или природного 
газа (около 50% суммарного производства), газификацией угля и биомассы, реформированием жидкой 
биомассы и расщеплением воды (солнечный нагрев). 
Данная технология позволяет получить водород 
с высоким содержанием примесей (углеводороды, 
CO, CO2), который можно легко использовать в двигателях внутреннего сгорания (поршневых, газотурбинных и т.д.). Все свойства бинарных и более сложных смесей для легких (H2) и тяжелых (CO2, CnHm) 
компонентов достаточно легко можно определить по 
методике, представленной в [21].
Адсорбционные процессы очистки позволяют получать степень очистки свыше 99%, но требуют исходной смеси, содержащей не менее 75% Н2 при давлении 
15–30 бар и расхода порядка 1000 м3/ч, а мембранные 
системы, хотя работают с исходной смесью, содержащей от 30 до 90% H2 при давлении около 10 бар, но 
имеют степень очистки в пределах 70–99% [22].
В настоящее время каталитический паровой реформинг природного газа является самым дешевым 
и энергетически эффективным (КПД до 83%) способом получения водорода [23]. Стоимость водорода (в 
ценах 2007 г.), полученного из природного газа, на