Анализ объектов окружающей среды

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2019

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

Ю. С. Петрова, Л. К. Неудачина, Е. Л. Лебедева

АНАЛИЗ ОБЪЕКТОВ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано

методическим советом Уральского федерального университета
в качестве учебно-методического пособия для студентов вуза,

обучающихся по направлениям подготовки

04.03.01, 04.04.01 «Химия»,

04.03.02 «Химия, физика и механика материалов»,

по специальности 04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия»

УДК 502.175(075.8)
ББК 20.18я73
        П129

В учебном пособии рассмотрены показатели качества объектов окружающей

среды (воздуха, воды и почв), способы отбора и подготовки проб к аналитическому определению различных органических и неорганических загрязнителей, а также инструментальные методы анализа.

Адресовано студентам химических направлений и специальностей,

изучающим аналитическую химию.

Петрова, Ю. С.

Анализ объектов окружающей среды : учеб.-метод. пособие /

Ю. С. Петрова, Л. К. Неудачина, Е. Л. Лебедева ; [под общ. ред.
Е. Л. Лебедевой] ; М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та,
2019. – 244 с.

ISBN 978-5-7996-2549-8

П129

ISBN 978-5-7996-2549-8

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра физики и химии

Уральского государственного экономического университета

(заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор Н. Ю. Стожко);

Е. П. Собина, кандидат химических наук

(Уральский научно-исследовательский институт метрологии)

П о д  о б щ е й  р е д а к ц и е й

кандидата химических наук Е. Л. Лебедевой

УДК 502.175(075.8)

ББК 20.18я73

© Уральский федеральный университет, 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебно-методическое пособие составлено в соответ
ствии с программой специального курса «Анализ объектов окружающей среды», изучаемого студентами 4-го курса бакалавриата
по направлению «Химия» в рамках модуля «Анализ реальных объектов». Вместе с тем пособие может быть полезно всем студентам
бакалавриата, специалитета и магистратуры, обучающимся по естественно-научным направлениям подготовки.

В пособии рассматриваются способы отбора и подготовки проб

к аналитическому определению различных органических и неорганических загрязнителей в составе объектов окружающей среды
(воздуха, воды и почв), а также конечные инструментальные методы их анализа. Основой для усвоения материала являются знания,
полученные студентами в курсах «Основы химического анализа»
и «Физико-химические методы анализа», которые здесь углубляются и расширяются применительно к анализу объектов окружающей среды. В то же время особенностям пробоотбора и пробоподготовки этих объектов ранее в учебном процессе не уделялось
достаточно внимания, несмотря на то, что часто именно эта стадия анализа вносит основной вклад в погрешность определения.
Отличительной особенностью пособия является комплексный
подход к рассмотрению вопросов, связанных с анализом объектов
окружающей среды (воздуха, вод и почв) – от стадии отбора пробы до обработки результатов анализа. Авторы стремились показать разнообразие и взаимосвязь используемых способов пробоотбора, пробоподготовки и инструментальных методов анализа.
С привлечением разнообразных источников – монографий, научных статей, нормативных документов – рассмотрены теоретические основы и принципы выбора того или иного подхода в зависимости от характера анализируемого объекта и природы определяемых компонентов.

Первый раздел пособия посвящен особенностям различных

объектов окружающей среды: воздуха, воды, почвы. В нем описываются состав рассматриваемых объектов, источники их загрязнения, классификации типичных загрязнителей. Подробно охарактеризованы способы и приемы отбора проб загрязненного воздуха,
воды или почвы в зависимости как от типа загрязнителя, так и от особенностей анализируемого объекта. Рассмотрены методы консервации проб почвы и воды. Особое внимание уделено методам пробоподготовки, используемым при определении загрязнителей в составе объектов окружающей среды.

Во втором разделе пособия рассматриваются инструменталь
ные методы анализа объектов окружающей среды: хроматографические, оптические и электрохимические. Рассмотрены классификации методов, их преимущества и недостатки, а также особенности и возможности применительно к определению различного рода
загрязнителей в составе воздуха, воды и почв.

Авторы с благодарностью примут любые пожелания и замеча
ния, направленные на улучшение содержания данного учебно-методического пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Воздух является неотъемлемой частью жизни и определяет

существование всего живого на земле. При дыхании мы наполняем свои легкие воздухом, он окружает нас со всех сторон, все пространство занято им, он везде.

В настоящее время проблема качества атмосферы достигла

большой популярности и повышенного внимания всех, и это справедливо. Результаты многочисленных исследований дали понять,
что состав загрязнителей очень разнообразен, а их концентрации
находятся далеко за пределами допустимых норм. И, что самое главное, данная ситуация характерна как для открытых территорий
и площадок, так и для закрытых помещений, в которых каждый
из нас проводит большую часть своего времени.

Качество атмосферного воздуха больших городов определяет
ся деятельностью многочисленных производственно-промышленных предприятий, объектов теплоэнергетики и, конечно, автотранспортом, на долю которого приходится порядка 80 % вредных выбросов. В свете сложившейся экологической ситуации, наблюдаемой
в наши дни, только исследования, направленные на определение
количественной и качественной характеристики загрязнения атмосферы, позволяют нам своевременно получать информацию о ее
состоянии, принимать решения, организовывать мероприятия по минимизации негативного воздействия и, в конце концов, дают предметные ответы на все интересующие нас вопросы.

В процессе анализа воздуха, помимо выявления веществ, харак
терных как для транспортного комплекса (оксид углерода (II), оксид
азота (II), оксид азота (IV), углеводороды), так и для промышленной сферы (сульфаты, сероводород, фтористый водород, хлор, хлористый водород, цианистый водород, ртуть, углеводороды бензиновой фракции, тяжелые металлы), определяется экологическое
состояние объекта исследования, уровень его безопасности и экологического благополучия.

Но экспертиза воздуха позволяет констатировать тот факт, что

загрязненная атмосфера – это лишь часть той среды, в которой мы
пребываем ежедневно. Воздушная среда закрытых помещений
не менее опасна. Она формируется за счет загрязнителей, попадающих с воздушной массой из-за окна и выделяющихся от внутренних источников.

Анализ воздуха в квартире, доме, офисе подтверждает существо
вание данного фактора загрязнения. Число токсичных веществ, присутствующих в воздушной среде жилых и общественных помещений, колеблется от 45 до 80. Среди них такие, как фенол и формальдегид, аммиак и стирол, толуол, ксилол, ртуть, табачный дым
и многие другие. К основным внутренним источникам-загрязнителям относятся предметы интерьера, мебель, напольные и потолочные покрытия, строительные и отделочные материалы.

Экспертиза воздуха закрытого помещения (квартиры, офиса,

дома) проводится с целью выявления повышенной концентрации
вредных веществ, определения степени негативного влияния и выбора оптимально-соответствующей системы очистки.

Свежий воздух, свободный от опасных веществ и патогенных

микроорганизмов, делает наш организм здоровее и укрепляет иммунитет. Но, к сожалению, жизнь в мегаполисах и здоровая экология – понятия малосовместимые. Именно поэтому сегодня, как никогда, актуально такое исследование, как анализ воздуха на наличие вредных веществ.

Воды различного происхождения также являются важными

объектами окружающей среды. По мнению академика В. И. Вернадского, действительно природными (девственными) были только древние земные воды, существовавшие примерно 100 тыс. лет
назад. В последние же 10–20 тыс. лет все сильнее проявлялось
геохимическое воздействие человека на природу, особенно начиная с XIX в., когда интенсифицировалась хозяйственная деятельность человека. В результате во всей биосфере изменяются и исчезают старые виды природных вод и создаются новые «культурные» воды. Изменяется и характер загрязнения природных вод.
Все большее значение приобретают такие загрязняющие вещества,

как нефтепродукты, тяжелые металлы, биогенные вещества, сложные органические соединения (детергенты, пестициды и др.).

На химический состав «культурных» вод наибольшее влияние

оказывает сброс в водные объекты сточных вод коммунального
хозяйства, промышленных предприятий, а также сельского хозяйства. На современном этапе сельское хозяйство является одним
из наиболее крупных загрязнителей гидросферы в связи с выносом
в природные воды не только биогенных веществ, но и большого
количества токсичных веществ, и прежде всего пестицидов.

Загрязнение биосферы оказывает все большее влияние на про
цессы формирования водных экологических систем.

Почва – поверхностный слой литосферы Земли, обладающий

плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную открытую четырехфазную (твердая, жидкая, газообразная фазы и живые организмы) структурную систему, образовавшуюся в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности
организмов.

Анализ почвы – совокупность операций, выполняемых с целью

определения состава, физико-механических, физико-химических,
химических, агрохимических и биологических свойств почвы.

Химическим анализом устанавливают химический состав и свой
ства почвы. Основные разделы его: валовой, или элементный, анализ позволяет выяснить общее содержание в почве С, N, Si, Al,
Fe, Ca, Mg, Р, S, K, Na, Mn, Ti и других элементов; анализ водной
вытяжки (основа исследования засоленных почв) дает представление о содержании в почве водорастворимых веществ (сульфатов,
хлоридов и карбонатов кальция, магния, натрия и др.); позволяет
определить поглотительную способность почвы; выявить обеспеченность почв питательными веществами; установить количество
легкорастворимых (подвижных), усваиваемых растениями соединений азота, фосфора, калия и др.; по данным анализа определяют
потребность полей в удобрениях. Большое внимание уделяют также изучению фракционного состава органических веществ почвы,
форм соединений основных почвенных компонентов, в том числе
микроэлементов.

ПРОБООТБОР  И  ПРОБОПОДГОТОВКА

ВОЗДУХ

Источники загрязнения атмосферы
Источники загрязнения атмосферы можно классифицировать

как по мощности выброса, так и по высоте, а также по температуре
отходящих газов. Мощными источникам загрязнения являются металлургические и химические предприятия, крупные тепловые электростанции (ТЭЦ), предприятия строительной индустрии и другие
подобные производства. Мелкие источники загрязнения отличаются своей большой распространенностью. Это небольшие котельные, трубы печного отопления, предприятия пищевой промышленности и т. п. За счет большого количества такие источники могут
значительно загрязнять воздух. С точки зрения высоты выбросов выделяют низкие источники, в которых выброс осуществляется ниже
50 м, а также высокие, производящие выбросы выше 50 м. Источники, выбрасывающие газовоздушную смесь с температурой выше
50 °С, называют нагретыми; при более низкой температуре выбросы считаются холодными.

Наиболее распространенными вредными примесями, попа
дающими в атмосферу из различных источников, являются оксид
серы (IV), пыль, оксид углерода (II), оксиды азота (II, IV). Большой
вред экологическому состоянию воздушной среды наносят ТЭЦ.
Тепловые электростанции выбрасывают большие количества соединений серы. При сжигании топлива в атмосферу поступает много
оксида углерода (II), оксидов азота и несгоревшие твердые вещества в виде золы и сажи. Хлориды натрия и магния, оксиды железа, соединения ванадия, никеля и кальция, ртуть и ряд других веществ могут попадать в воздушные массы в меньших количествах.
Ассортимент попадающих в воздушные массы загрязнений в значительной степени зависит от состава применяемого топлива. ТЭЦ,
потребляющая в сутки 5 тыс. т угля, выбрасывает в воздух за год

около 21 т соединений свинца. Для урбанизированных районов Европы и Северной Америки концентрация свинца в атмосфере составляет 120–2700 нг/м3.

При сжигании газообразного топлива в основном выбрасыва
ются оксиды азота. Если топливо сгорает при недостатке воздуха
или при охлаждении пламени горелки, происходит выброс углеводородов в атмосферу. При этом могут выделяться и ароматические углеводороды, большая часть которых относится к канцерогенным веществам.

Существенным источником загрязнения атмосферного воздуха

являются различные виды транспорта: автомобильный, железнодорожный, морской, речной и авиационный. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания могут содержать оксид углерода (II),
оксиды азота, углеводороды (в том числе канцерогенные), альдегиды и другие вещества. Бензиновые двигатели, особенно работающие на этилированном бензине, выделяют в атмосферу соединения свинца, хлора, брома, фосфора, дизельные двигатели – значительное количество сажи. Авиационные двигатели выбрасывают
в атмосферу оксид углерода (II), оксиды азота, альдегиды, углеводороды, оксиды серы и сажу.

Предприятия черной металлургии являются потенциальны
ми источниками большого количества вредных веществ. В выбросах предприятий этой отрасли содержится пыль, оксид серы (IV),
оксид углерода (II), оксиды азота, сероводород, фенол, сероуглерод,
бенз(а)пирен и другие вредные вещества. Наибольшее количество
оксида серы (IV) содержится в выбросах энергетических установок
и предприятий по производству чугуна. Источником попадания
полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в воздушные массы является коксохимическое производство, обычно сопровождающее крупные предприятия черной металлургии.

Предприятия цветной металлургии являются источниками по
падания в атмосферу оксида серы (IV), оксида углерода (II) и пыли,
оксидов различных металлов (особенно свинца, меди, никеля). Производство алюминия электролизным методом сопровождается выбросами в атмосферу фтороводорода и его производных и оксида
углерода (II).