Основные методы анализа веществ, загрязняющих атмосферу

 

1. Хроматографические методы

2. Масс-спектрометрические методы

3. Спектральные методы

4. Электрохимические методы

 

Анализ загрязнений, содержащихся в воздушной среде, можно отнести к наиболее трудным задачам аналитической химии. Это обусловлено следующими причинами:

ü одна проба одновременно может содержать десятки и даже сотни органических и неорганических соединений;

ü концентрация токсичных веществ в атмосфере может быть
ничтожно малой (до 10^-4—10^-7 % и ниже);

ü воздух представляет собой неустойчивую систему с постоянно меняющимся составом (наличие влаги, кислорода, фотохимические реакции, изменение метеорологических условий).

Для целей анализа загрязнений воздуха получили распрост­ранение методы, которые можно разбить на четыре группы: хроматографические, масс-спектрометрические, спектральные, электрохимические.

1 Хроматографические методы наиболее эффективны при ана­лизе сложных смесей. В частности, газовая хроматография — иде­альный метод исследования микропримесей летучих органических соединений.

В газовом хроматографе раз­деление летучих веществ происходит в следующей последовательности. С помощью специального устройства — обычно небольшого стеклянного шприца – проба вводится с од­ного конца длинной узкой хроматографической колонки (трубка длиной 0,9—3,0 м и диаметром 0,25–50 мм), через которую про­текает газ-носитель. В качестве газа-носителя используется инерт­ный газ, который проходит через колонку с постоянной ско­ростью и выносит компоненты пробы, появляющиеся на выходе в зависимости от времени удерживания их в колонке. Разделение происходит за счет твердого (абсорбента) или жидкого (адсор­бента) вещества, находящегося в колонке и называемого непод­вижной фазой. Благодаря абсорбции отдельных компонентов на активных центрах абсорбента или их растворению в неподвижной фазе в зависимости от физических свойств компонентов смеси одни из них продвигаются быстрее, а другие медленнее, что поз­воляет их различать на выходе, применяя соответствующий де­тектор. В результате можно получить зональное распределение компонентов — хроматограмму, позволяющую выделить и про­анализировать отдельные пробы вещества.

В последние годы наиболее широкое применение для автома­тического контроля углеводородов получил пламенно-ионизационный метод. Детектирование с применением пламенно-ионизационного ме­тода осуществляется введением газообразной пробы в пламя водорода. Пламя находится между электродами, на которых под­держивается напряжение в несколько сот вольт. При отсутствии примесей (горение только одного водорода) возникающий ток ионизации ничтожно мал. Когда в водородное пламя вводится газообразная проба, содержащая углеводороды, в пламени образуются ионы, которые направляются к положи­тельному электроду. Возникающий ток ионизации усиливается электрометрическим усилителем постоян­ного тока и регистрируется самопишущим прибором. К числу достоинств пламенно-ионизационного метода отно­сятся: высокая чувствительность к органическим веществам, линейная характеристика преобразования, нечувствительность к большинству примесей неорганического происхождения.

Использование пламенно-ионизационного метода для детекти­рования после разделения компонентов пробы с применением га­зовой хроматографии позволяет различать присутствующие угле­водороды и определить их количество. Следует отметить, что собственно пламенно-ионизационный метод дает возможность оп­ределять только суммарное количество присутствующих углеводо­родов и не позволяет различать вещества.

 

2 Масс-спектрометрические методы. Сложные композиции за­грязняющих веществ в атмосферном воздухе, одновременное при­сутствие органических и неорганических соединений существенно затрудняет проведение анализа. Для качественной и количественной оценки композиций необходимо четко разделить анализируе­мые вещества и получить однозначные характеристики для каж­дого из них. Одновременное выполнение этих двух требований обеспечивает масс-спектральный анализ с предварительным хроматографическим разделением соединений. Такой анализ получил название «хромато-.масс-спектрометрия» (ХМС).

По существу в ХМС-анализе воздушных загрязнений имеются дна подхода:

1) определение специфических соединений илиинтересующих классов;

2) общий анализ (качественный и количественный) всех сое­динений, присутствующих в данной пробе загрязненного воздуха.

Спектральные методы анализа являются наиболее распростра­ненным способом исследования качественного и количественного состава загрязнений воздуха. Атомная абсорбция, плазменная эмиссионная спектроскопия, рентгенофлуоресцентная спектроско­пия, лазерные методы и другие позволяют определить множество микропримесей в воздухе.

Одним из наиболее доступных методов анализа воздуха в этой группе является колориметрия. Метод основан на измерении ослабления светового потока вследствие избирательного поглоще­ния света определяемым веществом в видимой области спектра. Определяемый ингредиент переводится в окрашенное соединение с помощью специфической химической реакции, затем определя­ется (интенсивность окраски раствора. Если исследуемое вещество непосредственно поглощает в видимой области спектра, продол­жительность анализа снижается, поскольку отпадает необходи­мость получения окрашенного раствора. Применяемые в колори­метрии приборы в основном делят на два типа: приборы, в которых проводят визуальное сравнение окрасок рабочего и стандартного растворов; приборы, в которых определяют абсолютные или относительные интенсивности световых потоков, прошедших через раствор.

Известное распространение получили и ленточные фотоколо­риметрические газоанализаторы, в которых взаимодействие опре­деляемого вещества и реагента происходит на бумажных, ткане­вых или полимерных лентах. Ленточные анализаторы имеют пре­имущества перед жидкостными: они более чувствительны, проще в работе, не требуют затрат времени на предварительное приго­товление растворов.

К числу спектральных методов относится также УФ- и ИК-спектроскопия. В УФ-области спектра чаще всего анализируются ароматические соединения, а также неорганические вещества, та­кие, как SО2, NO2 и Hg. По сравнению с колориметрией метод обладает более высокой чувствительностью, однако имеет и недо­статок — низкую селективность. Это связано с тем, что множество органических соединений, загрязняющих воздух, имеют в УФ-об­ласти спектра широкие полосы поглощения, которые могут пре­рываться. Это прежде всего снижает точность измерения, а иногда делает невозможным и анализ многокомпонентных сме­сей.

Метод ИК-спектроскопии позволяет проводить идентификацию и количественно определять многие промышленные загрязнения органического и неорганического происхождения.

4 Электрохимические методы. По сравнению с физико-химиче­скими методами, получившими развитие в последние годы, элек­трохимические методы несколько утратили свое былое значение. Вместе с тем технические достижения, сравнительная простота и дешевизна приборов, удобство их эксплуатации позволяют ус­пешно применять электрохимические методы на практике. Осо­бенно широкое применение эти методы нашли при систематиче­ском контроле состояния загрязнения атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны, в лабораториях АЭС и лабораториях сети наблюдений Госкомгидромета СССР.

Наибольшее распространение при анализе атмосферных за­грязнений получили кондуктометрические и кулонометрические методы.

Сущность кондуктометрического метода заключается в изме­рении электропроводности анализируемого раствора. Электропро­водность раствора обеспечивается ионами веществ, способных диссоциировать в определенных условиях, и зависит от концентра­ции ионов в растворе и их подвижности. Разработанные на кондуктометрическом принципе газоанализаторы применяют для оп­ределения оксидов газов, серосодержащих соединений, галогенов и галогеноводородов. В зависимости от методики определения и мешающих факторов предел обнаружения по диоксиду серы нахо­дится в интервале значений 0,005—1 мг/м3. Однако серийные кондуктометрические газоанализаторы диоксида серы имеют предел обнаружения 0,02—0,05 мг/м3.

Кулонометрия — безэталонный электрохимический метод срав­нительно-высокой точности и чувствительности. В общем случае метод основан на определении количества электричества, необхо­димого для осуществления электрохимического процесса выделе­ния на электроде или образования в электролите вещества, по ко­торому проводится анализ исследуемой пробы.

Кулонометрические газоанализаторы являются наиболее эф­фективными из всех газоанализаторов, работающих на электрохи­мическом принципе, и позволяют определять в воздухе такие ин­гредиенты, как SO₂, HC1, С1₂, HF, O₃, HCN. В зависимости от конструкции электрохимической ячейки, электронной схемы и со­става поглотительного раствора предел обнаружения по диоксиду серы колеблется от 10 до 100 мкг/м³. Содержание хлора опреде­ляется в области концентраций от 0,02—0,03 до 22—24 мг/м³.

Кулонометрический метод анализа обладает рядом несомнен­ных достоинств: высокой чувствительностью, независимостью по­казаний от факторов, влияющих на результаты измерений другими методами (температуры, состояния поверхности электродов, ин­тенсивности перемешивания и т. д.), широким динамическим диапазоном. К недостат­кам кулонометрических методов можно отнести низкую селектив­ность и необходимость периодической смены электролита.

Геохимическими и гигиеническими исследованиями установлены количественные связи между содержанием металлов в атмосферном воздухе и выпадением их на территории городов, что фиксируются в виде аномалий в почве и снежном покрове - природных средах, депонирующих загрязнения и легко доступных для изучения по любой заранее заданной сети точек отбора проб. Это дает возможность по результатам изучения почв и снежного покрова проводить ориентировочную гигиеническую оценку загрязнения воздушного бассейна.