В ряде работ для ускорения процесса внедрения новых технологических решений предлагается создать социальные научные комплексные дисциплины для изучения взаимодействия технологии и природы.
При осуществлении контроля над состоянием воздуха, как на территории населенных пунктов, так и в рабочей зоне производственных помещений, используют качественный и количественный анализ газовых смесей. С помощью качественного анализа определяют в воздухе или газовых потоках отдельные компоненты, не устанавливая их содержания. При количественном анализе определяют состав газовой смеси (%) или содержание в ней определенного компонента (компонентов). На практике обычно не требуется полного анализа газовой смеси и определяют лишь некоторые, наиболее важные ее составляющие [18,16].
Качественный анализ газовых смесей производится с помощью органолептического или индикационного метода, или с использованием пористых поглотителей [19,2].
Органолептический метод основан на определении примесей, содержащихся в атмосфере или газовых выбросах, по цвету или запаху. К газам, обладающим специфическим цветом, относят фтор, хлор, диоксид азота и некоторые другие; специфическим запахом отличаются хлор, аммиак, диоксид серы, оксиды азота, сероводород, фтористые соединения, цианиды, некоторые углеводороды и другие органические соединения. Однако индикацию газов органолептическим методом нельзя считать достоверной, так как возможная ошибка зависит не только от субъективных особенностей человека, но и оттого, что специфический цвет или запах могут маскироваться окраской и запахом других примесей.
Индикационный метод основан на изменении окраски индикаторной бумаги, пропитанной соответствующими реактивам, в присутствии того или иного компонента газовой смеси. Так, красная лакмусовая бумага синеет в присутствии NH3 и остается без изменения в присутствии кислых примесей (НС1, H2S, SO2, CO2, NO, NO2); красная и синяя лакмусовая бумага обесцвечиваются в присутствии хлора; бумага, пропитанная раствором ацетата свинца, чернеет в присутствии H2S.
Индикация с помощью жидких или пористых поглотителей заключается в пропускании воздуха через жидкость, в которой растворен соответствующий реагент, или сквозь пропитанный реагентом пористый материал (силикагель, пемза, цеолиты). О наличии в воздухе или отходящих газах определяемой примеси судят по изменению окраски раствора или реагента, пропитывающего пористый материал.
Отбор проб газа на анализ. Первым условием определения содержания в газовой смеси какого-либо компонента является правильный отбор пробы для анализа и ее обработка. При отборе пробы газа необходимо учитывать, в каком агрегатном состоянии находится определяемое вещество и те вещества, что ему сопутствуют, а также является ли проба типичной и характерной для общей массы анализируемого газа.
В зависимости от состояния, в котором находится определяемое вещество, выбирают метод его выделения. Для улавливания газа или пара включающую их газовую смесь обычно пропускают через поглотительные приборы, содержащие жидкость, способную поглотить определяемый газ.
Для поглощения аэрозолей, как правило, используют твердые поглотители - вату, лигнин.
Для отбора проб газа, содержащего токсичные примеси в небольшой концентрации, используют аспираторы, в которых определенный объем газа проходит через поглотительную среду, где он растворяется или связывается химически. Постепенно определяемые примеси накапливаются в поглотителе в количествах, достаточных для аналитического определения. Скорость аспирации через жидкие поглотительные среды не должна превышать 1,5-2 л/мин.
Водяной аспиратор состоит из двух сосудов, соединенных резиновой трубкой и находящихся на разной высоте. Верхний сосуд наполнен водой. Когда вода перетекает в нижний сосуд, в верхнем создается разрежение, вызывающее поток исследуемого газа через поглотительные приборы с жидким сорбентом.
Эффективность поглощения компонентов газовой смеси в значительной степени зависит от используемого поглотителя. Самой высокой поглощающей способностью обладают твердые сорбенты - активированный уголь, цеолиты, силикагель. Обычно для отбора проб газовых смесей используют силикагель марок МСШ, ШСК, АСМ, ШСМ с размером зерен 0,25-0,5 мм, который помещают в U-образные трубки с боковыми отводами.
В качестве жидких поглотителей применяют растворы кислот, солей и оснований и некоторых веществ сложного состава (неорганических и органических).
Анализ газов. Для анализа газов используют широкий ассортимент приборов, называемых газоанализаторами. Выбор метода газового анализа и соответственно газоанализатора определенного типа диктуется особенностями анализируемого компонента, которые отличают его от других компонентов смеси. В практике заводских лабораторий и научно-исследовательских организаций используют газоанализаторы механические, тепловые, магнитные, электрические, оптические, хроматографические, масс-спектральные.
Действие механических газоанализаторов основано на измерении молекулярно-механических параметров анализируемой газовой смеси и их изменении при химическом или физико-химическом извлечении из смеси определяемого компонента. В зависимости от измеряемой характеристики различают газоанализаторы:
вискозиметрические;
денсиметрические (плотномерные);
акустические;
диффузионные;
объемно-манометрические.
Последние получили наибольшее распространение.
Анализ газовой смеси с применением объемно-манометрических (ОМ) газоанализаторов основан на изменении объема газовой пробы в результате извлечения из нее определяемого компонента или суммы нескольких компонентов. Это извлечение осуществляется при постоянных температуре и давлении с помощью химической реакции, селективной по отношению к определяемому компоненту, или путем физического воздействия на пробу, дающего тот же результат. Уменьшение объемной доли газовой смеси в процентах к первоначальному соответствует содержанию извлеченного компонента. ОМ-Газоанализаторы используют для периодических наблюдений за содержанием в атмосфере и газовых выбросах СО2, SO2, NH3, O2, H2, гремучей смеси (2Н2 +О2) и некоторых других газов. Стационарные ОМ-газоанализаторы имеют пределы измерений от 10-3 до 10-7 %.
К недостаткам ОМ-газоанализаторов следует отнести длительность и сравнительно невысокую точность определений.
Действие тепловых газоанализаторов основано на изменении тепловых свойств определяемого компонента при изменении его концентрации. Тепловые газоанализаторы подразделяют на термохимические (ТХ) и газоанализаторы теплопроводности (ТП).
Принцип действия ТХ-газоанализаторов основан на определении теплового эффекта химической реакции, величина которого пропорциональна содержанию контролируемого компонента. Этот метод применим для определения всех газов, легко вступающих в реакции, протекающие количественно и с большим тепловым эффектом (Н2, СО, H2S, CO2, SO2, углеводороды и т. п.). ТХ-Анализаторы можно использовать для анализа газовых смесей в широком диапазоне (1-100 % по объему), погрешность измерений лежит в пределах от ± 2 до ± 10%.
Действие ТП-анализаторов основано на изменении теплопроводности газов и паров с изменением их концентрации. Теплопроводность измеряют по теплоотдаче платиновой нити, помещенной в контролируемую газовую смесь и нагреваемой от источника тока. О содержании определяемого компонента газовой смеси судят по изменению электрического сопротивления нити.
ТП-анализаторы различных марок (ТП-1120, ТП-1116, ТКГ-4, ТКГ-5, ГАХ-239 и др.) используют для определения Н2, О2, NH3, CO2, С12, SO2 и других компонентов в сложных газовых смесях, в том числе содержащих Н2 и О2 во взрывоопасном соотношении и в воздухе. Пределы измерения с помощью ТП-газоанализатора колеблются от 0 до 80 %, погрешность определения - от ± 2,5 до ±5 %.
Анализ газовых смесей на магнитных газоанализаторах основан на различиях парамагнитных свойствах газов. На практике анализаторы этого типа используются для определения О2, обладающего достаточно высоким парамагнетизмом в воздухе, в смеси непредельных углеводородов, в промышленных газах цементных печей и топочных газах. Точность определения составляет 2-5 %.
Для анализа газовых смесей применяют электрические газоанализаторы, действие которых основано на изменении какого-либо электрического свойства газа или жидкости, с которой газ прореагировал. В качестве показателей, характеризующих содержание измеряемого компонента, используют различный уровень ионизации отдельных газов под действием одного и того же ионизатора (ионизационные газоанализаторы), или изменение вольтамперной характеристики элемента в зависимости от концентрации определяемого газа (электрохимические газоанализаторы), или изменение удельной электрической проводимости раствора смеси электролитов от концентрации соединений, образующихся при взаимодействии определяемого газового компонента с находящимся в избытке раствором определенного электролита (электрокондуктометрические газоанализаторы).
Ионизационные газоанализаторы применяют для определения в воздухе следов углеводородов.
Электрохимические газоанализаторы нашли широкое применение для определения в газовых смесях кислорода, следов водяных паров и микроколичеств сернистых и сероорганических соединений.
Электрокондуктометрические газоанализаторы используют для определения SO2, СО2, H2S, CS2, С12, СС14, РН3, AsH3, HCN, NH3, H2O, органических газов и паров, содержащих серу, и многих других газов. Особенно часто их применяют для контроля H2S в воздухе, причем порог чувствительности определения достигает 2*10-6.
Большую группу газоанализаторов составляют приборы, в которых используется зависимость изменения оптических свойств газовой смеси (показатель преломления, оптическая плотность, спектральное поглощение или излучение и т. п.) от содержания определяемого компонента. Наибольшее распространение среди оптических газоанализаторов получили интерферометрические приборы, действие которых основано на явлении смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух когерентных лучей. С помощью этих приборов возможен анализ только бинарных смесей, компоненты которых существенно различаются по показателям преломления; их используют главным образом для определения СН4 и СО2 в рудничном и атмосферном воздухе. Пределы измерения отечественных интерференционных газоанализаторов составляют 0-6 %, погрешность определения - от ±4 до ±6 %.
В современной промышленности для анализа отходящих газов нашли применение газоанализаторы, принцип работы которых основывается на поглощении лучистой энергии. К ним относятся инфракрасные (ИК) анализаторы, реагирующие на характер спектров поглощения инфракрасного излучения отдельными газами. Мерой концентрации определяемого компонента служит степень поглощения потока ИК-излучения. ИК-анализаторы используют для определения СО, СО2, СН4, С2Н2 и других газообразных соединений углерода в сложных газовых смесях, в том числе в доменных колошниковых газах, в отходящих газах синтеза аммиака. Пределы измерения отдельных приборов колеблются от 0 до 1 или от 0 до 100 %, средняя погрешность измерений лежит в пределах от ±2,5 до ±10 %.
Используются также приборы, в которых концентрацию компонентов определяют по поглощению колебаний в ближней ультрафиолетовой (от 200 до 400 нм) и видимой (400-700 нм) областях. УФ-Газоанализаторы применяют для определения паров ртути в воздухе, хлора - в хлоровоздушной смеси и некоторых других газообразных соединений. В зависимости от порядка величины измеряемой концентрации и определяемых веществ используют приборы с различными шкалами: в мг/л или в мг/м3. Пределы измерения отечественных УФ-газоанализаторов изменяются от 0-1*10-4 мг/л до 0,002-0,06 мг/м3, а погрешность определения колеблется от ±5 до ±10 %.
Работа фотометрических и фотоколориметрических газоанализаторов основывается на образовании специфически окрашенных продуктов при реакции определяемых газообразных компонентов с реагентами, а интенсивность окраски продуктов служит мерой концентрации реагирующих компонентов.
Фотометрический газоанализатор УГ-2 позволяет определять в газовых смесях до 16 различных токсичных компонентов, в том числе H2S, Cl2, NH3, NO2, SO3, СО2, пары бензина, бензола, керосина и т. п.
Принцип действия хроматографических газоанализаторов основан на различной способности отдельных газовых компонентов сорбироваться твердыми или жидкими сорбентами. Пробу анализируемой газовой смеси вводят в непрерывно протекающий через сорбен поток газа-носителя, инертного по отношению и к определяемому веществу, и к сорбенту. Вследствие многократных актов сорбции и десорбции каждый компонент пробы перемещается вдоль слоя сорбента с характерной для него скоростью и удаляется из слоя сорбента в определённой последовательности. Последовательность выхода компонента смеси из хроматографической колонки позволяет их качественно идентифицировать, а поставленный на выходе детектор - определить и количество.
Действенной мерой охраны атмосферного воздуха от загрязнений является установление нормативов предельно допустимых воздействий на него, в частности - решение вопросов нормирования и регулирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. В " Совершенствовании экономических механизмов в области охраны окружающей среды " [3] в статье 38 "Нормативы предельно допустимых выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду" Закона Республики Казахстан "Об охране окружающей среды" говорится: " В целях предотвращения загрязнения окружающей среды с учётом всех источников и объёмов загрязнения на соответствующей территории, комплексного их влияния на здоровое население, растительный и животный мир устанавливаются по каждому источнику загрязнения нормативы предельно допустимых выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду " [4].
Принципы гигиенического нормирования допустимого содержания вредных веществ в атмосферном воздухе были впервые разработаны В.А. Рязановым в 1949 и положены в основу широко развернувшихся после этого экспериментальных исследований по установлению ПДК атмосферных загрязнений. Следует отметить, что при разработке этих принципов, конечно, учитывались уже хорошо развитые к этому времени подходы к нормированию содержания химических веществ в воздухе производственных помещений [10].
В то же время регламентирование в атмосферном воздухе химических веществ, отличавшихся значительно более низкими концентрациями по сравнению с воздухом производственных помещений, имело свои особенности. Оно основано на представлении о наличии порогов в их действии, хотя сами пороговые величины являются относительными и зависят от многих причин, как физических (режима и длительности поступления, агрегатного состояния), так и биологических (физиологическое состояние организма, адекватности избранных показателей и т.д.). Регламентирование также учитывает необходимость изучения кратковременных воздействий химических соединений на обонятельную функцию человека для установления порога ощущения запаха и недействующих концентраций, а также предполагает инструментальные исследования рефлекторных реакций человека [20].
По мере изучения рефлекторных влияний атмосферных загрязнений было выявлено, что их субсенсорные (не обнаруживаемые по запаху) концентрации могут вызывать определенные функциональные изменения в зрительном анализаторе и коре головного мозга. Именно эти изменения обусловили необходимость обоснования максимальных разовых ПДК атмосферных загрязнений.