CC BY
29
УДК 535.536
Т.В. Андрухова, В.И. Букатый, И.П, Чефранов Исследование загрязнения снежного покрова Барнаула
В конце XX в. объем выбросов загрязняющих веществ антропогенного происхождения стал соизмерим с масштабами природных процессов миграции и аккумуляции различных соединений. Прямое влияние химического загрязнения воды и воздуха на здоровье испытывают жители не только крупных городов, но и сельских районов. В связи с этим возникла необходимость развития и расширения исследований экологического состояния окружающей среды. Развитие промышленности, интенсификация производства, резкое увеличение численности транспорта повлекли за собой серьезные проблемы, связанные с загрязнением атмосферы. Рост числа химических элементов, используемых в производстве, возникновение новых технологических процессов обусловили появление в перечне загрязняющих веществ новых опасных для здоровья синтетических соединений, аэрозолей тяжелых и редких металлов.
В условиях промышленных центров, к числу которых относится Барнаул, актуальны исследования элементного состава аэрозольных загрязнений, в основном, техногенного происхождения. Пылевые промышленные выбросы накапливаются, в конечном счете, в почве, нарушая соотношение между элементами, изменяя тем самым геохимический фон.
В последнее время в мониторинге загрязнения окружающей среды часто используются так называемые природные планшеты, и в этом смысле интерес представляет изучение состава снежного покрова как накопителя пыли.
Исследование снегового покрова можно разделить на четыре основных этапа:
- отбор снеговых проб;
- подготовка исследуемых образцов;
- исследование отобранных проб;
- обработка и интерпретация результатов.
Отбор снеговых проб
Надежность элементного анализа аэрозоля во многом зависит от пробоотбора и подготовки пробы к спектральному анализу. Опасность загрязнить пробу может быть уменьшена при правильном выборе метода забора аэрозоля.
Для выявления наиболее загрязненного района пробы отбирались в разных районах Барнаула. Была составлена карта забора снеговых проб. Цифрами на карте обозначены: №1 - площадь Свободы, №2 - улица Космонавтов (район ХБК), №3 - Солнечная поляна, №4 - пересечение улиц Балтийской и Попова, №5 - улица А. Матросова, №6 - Демидовская площадь, №7 - пересечение улицы Мерзликина и пропспекта Красноармейского. Также для исследования загрязненности конкретного микрорайона были взяты пробы снега в точках, отмеченных на карте цифрами 1-8, заключенными в круги.
Для сбора аэрозольных частиц использовался метод отбора снежных проб, который проводился не только в черте города, но и за его пределами, в частности, в районе озера Кра-силово, находящегося на расстоянии ~60 км от Барнаула. Измерения в районе озера Кра-силово рассматривались нами как фоновые.
Пробы снега отбирались в виде кернов с площадью основания 200х200 мм и на всю глубину снежного покрова и в каждой точке отбора забиралось не менее 3-4-х образцов. Каждая проба снега помещалась в химически неактивную тару и хранилась до анализа при температуре от -5 0С до -20 0С. Перед анализом проба снега помещалась в стеклянную емкость, промытую спиртом и высушенную.
Подготовка исследуемых образцов
Для получения сухого остатка использовался метод фильтрации. Снеговую воду пропускали через фильтр с диаметром мембран 2 мкм. Осадок, представлявший основной интерес, оседал на фильтре и высушивался естественным путем. Для исследования электропроводности и кислотности талая вода помещалась в стеклянные сосуды и хранилась в холодильнике до начала анализа.
В методе фильтрации, основанном на пропускании талой снеговой воды через пористый слой, применялись бумажные фильтры. Поэтому при использовании этих методов забора в атомно-эмиссионном спектральном анализе требуется много сложных операций для
7 9
ФИЗИКА
Карта города с отмеченными местами забора проб. В левом нижнем углу приведено увеличенное изображение исследуемого микрорайона
удаления его органической основы и получение зольного остатка. В результате изготовлялась навеска, состоящая из спектрально-чистого графита и зольного остатка в процентном соотношении 40-50%. Если учесть потери интересующих нас веществ на этапе озоления и разбавления графитовым порошком, то ошибка определения количества элемента могла составить ~ 15-20%.
Исследование отобранных проб
Исследование многокомпонентной экспериментальной пробы сопряжено с трудоемким процессом определения и идентификации огромного количества спектральных линий в широком диапазоне длин волн. С целью проведения эксперимента было взято 15 проб сухого осадка массой от 2 до 170 мг.
Сухая проба смешивалась наполовину с графитовым порошком, делилась на пять частей и помещалась в чашечные электроды, которые затем сжигались в камере сгорания спектральной установки. Образцы с пробой подвергались воздействию дуги переменного тока. В качестве противоэлектрода использовался графитовый электрод, заточенный по стандарту под 600. Межэлектродный промежуток составлял 2 мм.
Результатом проведенного качественного анализа спектра сухой пробы явилось наличие таких элементов, как железо, магний, кобальт, никель и свинец, также эксперимент показал, что влияние органической компоненты несущественно. Результаты качественного анализа приведены в таблице 1.
Для проведения количественного анализа были взяты соли с известной долей исследуемых химических элементов. Далее была измерена масса эталонных образцов, получен их спектр и составлены соотношения, по которым рассчитаны концентрации искомых элементов в исследуемых пробах.
Для проведения количественного анализа аэрозоля были изготовлены растворы эталонных веществ и взяты их соли с известной концентрацией искомого элемента в пробе. Соли смешивались с графитом и сжигались, исследовался спектральный состав смеси. Затем определялась концентрация искомых элементов в эталонных пробах по конкретным длинам волн. Это делалось для того, чтобы в дальнейшем было легко находить неизвестные концентрации по интенсивности спектральной линии. Выбор искомых анализируемых элементов обусловлен степенью их вредного влияния на организм человека.
Таблица 1
Результаты качественного анализа аэрозоля (по точкам забора)
№1, пл. Свободы №2, ул. Космонавтов (ХБК) №3, Солнечная поляна №4, ул. Балтийская-Попова №5, ул. Матросова №6, Демидовская площадь №7, ул. Мерзликина ФОН, оз. Красилово 1-4 <N СП ЧП ЧО r- 00
AI Се AI AI Се Ca W AI AI AI Ca AI AI Ca AI Ce
Се Со Се Се Co Се Се Се Ca Ce Ce Ce Co Ce Ce Co
Со Cr Cr Co Cr Co Co Cu Ce Co Co Co Cr Cr Co Cu
Fe Fe Cu Cr Cu Cr Fe Fe Fe Cr Fe Cr Fe Fe Cu Fe
Мп Mo Fe Fe Fe Fe Mn К Mo Cu Mn Fe Mn Mo Fe Ni
Ni Mo Nb Mo Ni Mn Nb Mn Nb Fe Mo Mo Mo Nb Ni P
Р Nb Ni Nb V Mo Ni Mo Ni Mo Nb Nb Nb P Pb Pb
РЪ Ni Pb Ni Zn Pb Pb Ni Pb Nb Pb Ti V Pb V
W Si S Ti Sn V Pb S P s V w Si w
Zn Ti V W Ti W Si Pb Sn w Zn V
V w Zn V Zr V S W Zr w
w Zr w w w Zn
Zn Zr
ФИЗИКА
Таблица 2
Результаты определения рН, ЕЬ
№ пробы, место забора рн ЕЬ, отн. ед. Масса осадка, мг Концентрация аэрозоля в талом снеге, мг/л
№1, пл. Свободы 5,7 96 212,00 42,39
№2, ул. Космонавтов (ХБК) 4,5 406 109,00 31,14
№3, Солнечная поляна 4,7 391 20,35 4,54
№4, ул. Балтийская-Попова 6,1 355 49,05 12,91
№5, ул. Матросова 4,5 358 121,00 28,14
№6, Демидовская пл. 7,9 434 106,50 26,62
№7, ул. Мерзликина 47,20 23,45
ФОН, оз. Красилово 6,0 070 0,29 0,07
1 - - 34,09 17,04
2 — — 38,01 34,87
3 - - 27,23 10,47
4 - - 100,14 41,72
5 — — 22,55 11,27
6 - - 19,83 7,63
7 — — 23,22 9,68
8 - 29,53 13,42
Качественный анализ аэрозоля показал наличие следующих элементов: Мп, I, Си, Ее, Еп, Са, Б1, Со, РЬ, А1, Со, N1. Количественный анализ проведен спектрографическим методом, были обнаружены следующие элементы: Мп (361,2 нм), N1 (360,3 нм), РЬ (367,5 нм), Со (368,2 нм), Ее (364,9 нм), Си (365,8 нм), А1 (368,0 нм), Еп (342,4 нм), построены калибровочные графики, рассчитаны соответствующие концентрации (табл. 2). Значения кислотности рН и электропроводности ЕЬ указаны в таблице 3. Измерения кислотности и электро-
проводности проводились одновременно со спектральным анализом как комплексное исследование состава атмосферного аэрозоля. Измерение этих характеристик необходимо для раскрытия полноты влияния загрязнения на экологическую обстановку в городе.
Следует также отметить, что в сухой пробе были найдены цинк, кремний, молибден, которые не обнаруживались раньше.
Анализ кислотности показал, что неблагоприятными районами с экологической точки зрения являются Демидовская площадь (7,9), рай-
Таблица 3
Результаты количественного анализа аэрозоля
№ пробы, место забора Концентрация в пробе, %
Мп № Со Ре РЬ Си А1 7.П
№1, пл. Свободы 0,0004 0,0014 0,0041 0,0183 0,0019 0,0001 0,0003
№2, ул. Космонавтов (ХБК) - 0,0017 0,0008 0,0039 - - 0,0002
№3, Солнечная поляна - 0,0108 0,0086 0,0014 07)024 0,0001
№4, ул. Балтийская-Попова — 0,0128 0,0000 0,0055 — — 0,0003 07)001
№5, ул. Матросова 0,0043 0,0018 0,0016 0,0032 - 0,0002
№6, Демидовская пл. 0,0009 - 0,0046 0,0152 0,0017 -
№7, ул. Мерзликина 0,0001 — 0,0009 0,0016 0,0007 —
ФОН - оз. Красилово 0,0011 0,0037 - 0,0044 0,0024 02)000 0,0002 -
1 — 0,0028 — 0,0045 0,0006 — 0,0001 —
2 - 0,0007 0,0016 0,0008 0,0038 0,0001 -
3 0,0017 - 0,0014 0,0057 0,0010 -
4 - 0,0031 0,0245 - 02)001
5 07)012 0,0012 0,0015 0,0001 07)001
6 - - 0,0013 0,0009 - 0,0001
7 - 07)000 0,0015 0,0032 0,0007 02)022 0,0002 -
8 - 0,0060 0,0009 0,0019 0,0003 0,0022 - -
он хлопчато-бумажного комбината ХБК (4,5) и Солнечная поляна (4,5), что превышает предельно-допустимую концентрацию.
Электропроводность талой воды зависит от степени минерализации (концентрации растворенных минеральных солей) и температуры. Минерализация в среднем по городу не пре-
вышает ПДК, хотя в конкретных точках забора проб (Демидовская площадь, площадь Свободы и район ХБК) заметно выше.
Данные количественного спектрального анализа сравнивались с ПДК, и значительного превышения по указанным выше элементам обнаружено не было.
