Экологический мониторинг и методы анализа объектов окружающей среды

Для наблюдения за окружающей средой широко используют химические, физические и физико-химические методы анализа, в том числе радиометрию, рентгеновский и спектральный анализ, хроматографию.

Физико-химический анализ– метод исследования термодинамически равновесных систем на основании анализа графической зависимости какого-либо физического свойства системы от ее состава. Позволяет установить наличие и состав химических соединений без выделения их из системы. Применяют для исследований многокомпонентных многофазных систем (металлических сплавов, минералов, растворов солей и др.).

Основными методами радиометрии являются гамма-съемка (ГС), предназначенная для изучения интенсивности гамма-излучения, и эманационная съемка (ЭС), при которой по естественному альфа-излучению почвенного воздуха определяют концентрацию в нем радиоактивного газа – радона.

Гамма-методы(ГМ) служат для поисков и разведки не только радиоактивных руд урана, радия, тория и других элементов, но и парагенетически или пространственно связанных с ними нерадиоактивных полезных ископаемых (редкоземельных, металлических, фосфатных и др.). С их помощью можно определять абсолютный возраст горных пород. Гамма- и эманационную съемки используют также для литологического и тектонического картирования и решения других задач.

Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его спектрам. Различают атомный и молекулярный спектральный анализ, эмиссионный (по спектрам испускания) и абсорбционный (по спектрам поглощения). В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений; в количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос в спектрах. Применяется в промышленности, сельском хозяйстве, геологии и др.

На основе общей теории анализа разработано несколько частных методов. При отсутствии в пробе мешающих элементов можно применять простейший из них — метод внешнего стандарта: измерив интенсивность аналитической линии пробы, по аналитическому графику образца известного состава (стандарта) находят концентрацию исследуемого элемента. Для многокомпонентных проб иногда применяют метод внутреннего стандарта, в котором ординатой аналитического графика служит отношение интенсивностей линий определяемого элемента и внутреннего стандарта — добавленного в пробу в известном количестве элемента, соседнего (в периодической системе элементов) с определяемым.

Во многих случаях успешно применяют метод добавок в пробу в известном количестве определяемого элемента или наполнителя. По изменению интенсивности аналитической линии можно найти первоначальную концентрацию определяемого элемента.

В промышленности применяют метод стандарта-фона, в котором ординатой аналитического графика является отношение интенсивности аналитической линии флуоресцентного излучения образца и близкой к ней линии первичного рентгеновского излучения, рассеянного пробой. Это отношение во многих случаях мало зависит от состава наполнителя. Для анализа сложных многокомпонентных проб полную систему уравнений связи расшифровывают на ЭВМ по методу последовательных (обычно трёх-четырёх) приближений.

Масс-спектрометрияс ионизацией в индуктивно-связанной плазме – это эффективный метод элементного анализа (табл. 9.2.1).

Таблица 9.2.1

Области применения масс-спектрометрии

Область применения

Элементный анализ

Экология

Анализ загрязнения в природных водах, промышленных стоках, питьевой воде. Анализ загрязнения почв, грунтов, донных осадков.

Геология

Количественное определение микроэлементов и проведение анализа с использованием одного внутреннего стандарта.

Анализ редкоземельных элементов без предварительного разделения и концентрирования.

Химия

Входной контроль сырья и контроль качества готовой продукции. Контроль состава катализаторов. Определение микроэлементов в органических материалах.

Металлургия

Определение примесей в металлах высокой частоты. Контроль содержания легирующих элементов в сталях и сплавах.

Биология, медицина

Определение микроэлементов в биологических тканях и жидкостях. Анализ следовых элементов в лекарственных препаратах и пищевых продуктах.

Проба в виде мелкодисперсного аэрозоля вводится в центральный канал плазменного факела, где происходит ее атомизация и ионизация. Образующиеся в плазме ионы экстрагируются из плазмы через отверстие пробоотборника в вакуумную камеру, где расположен квадрупольный масс-анализатор. Ионый ток с выхода масс-анализатора детектируется вторичным электронным умножителем. Полученные данные затем обрабатываются высокопроизводительным компьютером.

Рентгеновский микроанализ (локальный анализ) участков пробы ~ 1—3 мкм2 (т.е. меньше размеров зерна сплава) выполняют с помощью электронно-зондового микроанализатора по рентгеновскому спектру исследуемого участка. Он требует точного введения поправок на атомный номер определяемого элемента, поглощение его излучения в пробе и его флуоресценцию, возбуждаемую тормозной компонентой излучения и характеристическим излучением др. элементов пробы.

Хроматография используется для разделения и анализа как органических, так и неорганических объектов; в последнем случае широко применяются комплексные соединения металлов с различными органическими лигандами. Например, методики определения тяжелых металлов основаны на образовании ими хелатов с органическими производными фосфорной и фосфатной кислот.

Все вышеперечисленные методы являются информационной основой для проведения экологического мониторинга окружающей среды.

Экологический мониторинг– это комплексная система наблюдения за элементами окружающей среды, контроля и прогноза ее состояния, предполагающая оценку изменений в экосистемах, в том числе связанных с накоплением загрязняющих веществ вследствие деятельности человека (рис. 9.2.1).

Рис. 9.2.2. Роль наблюдений в системе оценки окружающей среды

Экологический мониторинг включает звенья разного уровня:

· глобальный (биосферный);

· национальный, осуществляемый в пределах государства;

· региональный (геосистемный) — в пределах отдельных крупных районов;

· локальный, действующий в пределах населенных пунктов, промышленных центров, предприятий.

Глобальный мониторинг осуществляется на основе международного сотрудничества. Это система наблюдений за общепланетарными изменениями атмосферы, гидросферы, растительного и почвенного покрова, животного мира. Характеризуемые показатели — радиационный баланс, тепловой перегрев, глобальные балансы СО2 и О2 загрязнение атмосферы, больших рек и водоемов, глобальное распространение загрязнения почв.