Самыми распространенными веществами, загрязняющими атмосферу, являются оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота и пыль. За этими четырьмя основными примесями в сети наблюдения за уровнем загрязнения атмосферы ведутся регулярные наблюдения на стационарных, маршрутных и подфакельных постах в соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.3.01-86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов». В настоящее время в списке загрязняющих воздух веществ содержится более 400 наименований газовых примесей. Поэтому на постах ведутся наблюдения, как за основными, так и за специфическими (характерными для данного района) примесями, которые содержатся в выбросах предприятий, расположенных вблизи поста.
Вещества, загрязняющие атмосферу, можно грубо разделить на два типа:
1) газовые (истинные газы) и парообразные (температура кипения которых ниже 200 °С);
2) примеси и частицы твердых тел и жидкостей, размеры которых изменяются в широких пределах – от относительно больших, диаметром свыше 20 мкм, до аэрозолей или взвесей с мельчайшими частицами, размеры которых меньше 0,05 мкм.
Концентрация большинства атмосферных загрязняющих веществ крайне низка, поэтому ее точное определение в воздухе является сложной задачей. Сложность заключается в необходимости использования высокочувствительных методов, обеспечивающих определение микроконцентраций, а также в специфичности применяемых методов в связи с многокомпонентным составом анализируемой смеси.
Количественный анализ атмосферных загрязняющих веществ производится после их концентрирования, которое осуществляется протягиванием анализируемого воздуха через поглотительное устройство или фильтр. Точность измерения концентрации существенно зависит от точности измерения объема воздуха, протянутого через поглотительные приборы.
На современном этапе определение концентрации вредных примесей в атмосфере городов и крупных промышленных центров большей частью производится методами химического анализа, т.е. химическими методами. Из числа химических методов большое распространение получили методы микроколориметрии, достаточно чувствительные для экспресс-анализа следовых концентраций газов, металлов, формальдегида, оксида углерода и многих других органических и неорганических соединений. Суть этих методов состоит в аспирационном отборе проб атмосферного воздуха, последующем химическом анализе отобранных проб и обработке данных. Проведение всех наблюдений за загрязнением атмосферы по единым методикам позволяет иметь сравнимые результаты по уровням загрязнения в разных городах и регионах.
Реализуются методы химического анализа двумя группами приборов:
1) аппаратурой для отбора проб воздуха;
2) аппаратурой для лабораторного анализа этих проб.
В первую группу входят поглотительные приборы, фильтродержатели с фильтрами и аспирационные приборы (преимущественно электроаспираторы).
Вторая группа представляет собой приборы для лабораторного анализа.
Анализ проб осуществляется следующим образом. В химической лаборатории приготавливают растворы соответствующих реактивов, способные поглощать газы и пары, загрязняющие атмосферный воздух. Затем этими растворами заполняют стеклянные сосуды (поглотительные приборы), которые подсоединяют к аспирационной уста
новке, обеспечивающей протягивание воздуха через поглотительные растворы. В процессе протягивания растворы поглощают загрязняющие воздух вещества. Отобранные пробы доставляются в лабораторию для дальнейшего исследования. В лаборатории находящиеся в пробах воздуха ингредиенты переводятся посредством химических реакций в окрашенные или мутные соединения, с помощью фотометрических приборов определяется их оптическая плотность и рассчитывается концентрация.
Для определения содержания пыли воздух с помощью аспирационного прибора протягивается через предварительно взвешенный фильтр из фильтрующей ткани. После окончания отбора проб фильтры направляются в лабораторию для вторичного взвешивания. По разности масс фильтров (обычно с точностью 0,1 мг) до и после отбора проб воздуха устанавливается концентрация пыли.
Определение содержания сажи осуществляется путем сопоставления степени почернения фильтра, через который протягивается исследуемый воздух, со стандартной шкалой. Эта шкала, представляющая собой поля разной степени почернения, приготавливается из суспензии чистой сажи, полученной при сожжении бензина и нанесенной на фильтры, идентичные используемым при отборе проб. Оценка производится визуально или с помощью фотометра.
Методами химического анализа в настоящее время производится определение концентрации значительного числа компонентов атмосферного воздуха. Широкое использование химических методов анализа атмосферного воздуха обусловлено простотой аппаратуры, а также возможностью использования обслуживающего персонала средней квалификации.
Для концентрирования и разделения веществ используют абсорбцию. Абсорбция – это процесс отделения газообразного компонента от газовой смеси поглощением его соответствующей жидкостью. Массоперенос из газовой смеси в жидкость осуществляется посредством диффузии. Перенос вещества между двумя фазами является неравновесным состоянием, т.е. концентрация отделяемого компонента в газовой фазе выше, чем жидкой. Для отделения требуемого компонента газовая фаза выше, чем в жидкой. Для отделения требуемого компонента газовая фаза приводится в контакт с абсорбентом. Поглощаемое вещество перемещается из газа в направлении градиента концентрации. Абсорбент должен быть высокоселективным по отношению к отделяемому компоненту и инертным к остальным составляющим.
На скорость абсорбции воздействует ряд факторов, но, главным образом, давление и температура. С ростом давления и снижением температуры скорость абсорбции увеличивается.
Обратный процесс называется десорбцией. При изменении условий, например, снижении давления над жидкостью или увеличении температуры сорбирующего раствора, процесс становится обратимым и происходит выделение газа из жидкости. Следовательно, можно осуществить циклический процесс абсорбции-десорбции для концентрирования и утилизации отдельного компонента, который нельзя использовать при начальной его концентрации в очищаемом газе.
Часто для абсорбции загрязняющих веществ (ЗВ) используют растворы соответствующих соединений, чтобы отделяемый компонент газовой смеси прореагировал с образованием одного или нескольких новых веществ. Затем это новое вещество может быть выделено при разложении или замещении другим соединением.
Для поглощения ЗВ из промышленных выбросов можно применять разнообразное абсорбционное оборудование, например, безнасадочные распылительные абсорберы, абсорбционные колонны с насадкой, пенные абсорберы и абсорберы с плавающей насадкой.
Наряду с преимуществами химические методы анализа имеют и ряд недостатков. К ним относятся, прежде всего, длительность отбора и анализа проб и, как следствие, большое запаздывание информации о наличии вредных примесей в воздухе. Химические методы не применимы также для непрерывного измерения концентраций загрязняющих веществ, так как анализу предшествует разовый эпизодический отбор проб воздуха.
Особое место в арсенале химических и физико-химических методов анализа занимают хроматографические методы. Хроматографическими методами анализируют химический состав окружающей среды, в том числе атмосферный воздух и продукты промышленных выбросов.
В настоящее время уделяется большое внимание развитию инструментальных средств измерения уровня загрязнения атмосферы. Это автоматические газоанализаторы, с помощью которых определяется содержание отдельных примесей в атмосферном воздухе. Автоматические газоанализаторы позволяют производить оперативный контроль загрязнения атмосферы.
Суть работы газоанализатора состоит в использовании таких физико-химических методов воздействия на определяемое вещество в потоке воздуха через реакционную камеру, в результате которых происходят специфические реакции с выделением различных видов энергии, которые преобразуются в электрический сигнал, пропорциональный количеству измеряемого вещества.
Общие требования к методам определения загрязняющих веществ». ГОСТ содержит следующие требования:
1) метод должен быть избирательным к веществам, содержащимся в воздухе;
2) метод должен обеспечивать определение загрязняющего вещества на уровне 0,8 ПДК или меньше;
3) погрешность метода не должна превышать 25 % во всем диапазоне измеряемых концентраций;
4) метод должен обеспечивать измерение с заданной точностью концентрации в диапазоне 0,8 – 10 ПДК;
5) поглотительные устройства и приборы должны обеспечивать эффективность поглощения исследуемого загрязняющего вещества не менее чем на 95 %.