Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Экологический мониторинг» для студентов, обучающихся

по направлению 280700.62 «Техносферная безопасность» (профиль «Защита окружающей среды») очной формы обучения

Воронеж 2012

Составитель: канд. хим. наук А.А. Павленко

УДК 504:351.77

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Экологический мониторинг» для студентов, обучающихся по направлению 280700.62 «Техносферная безопасность» (профиль «Защита окружающей среды») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.А. Павленко. Воронеж, 2012. 58 с.

В методическом указании кратко изложены основные теоретические основы экологического мониторинга различных сред, а также даны описания лабораторных работ.

Методические указания предназначены для студентов 4 курса очной формы обучения.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MSWord и содержатся в файле МУ Эк мониторинг. doc

Табл. 8. Ил. 7. Библиогр.: 2 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.В. Звягинцева

Ответственный за выпуск зав. кафедрой канд. техн. наук, проф. П.С. Куприенко

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012

Лабораторная работа № 1

МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Опыт 1. Определение содержания в воздухе углекислого газа

Общие сведения

Индикаторные трубки являются современными, наиболее деше­выми, простыми в применении и наглядными средствами быстрого («экспрессного») количественного определения концентрации хи­мических веществ в воздухе. Индикаторные трубки широко ис­пользуются в России и за рубежом для анализа воздуха, промыш­ленных газовых выбросов и для специальных целей.

Индикаторные трубки, как и любые прибо­ры для определения загрязнения воздуха, имеют минимально опреде­ляемую концентрацию (чувствительность определения).

Из данных о чувствительности индикаторных трубок следует, что, за исключением углекислого газа, с их помощью можно опре­делять содержание компонентов только в относительно загрязнен­ном воздухе (т.е. при высоких концентрациях компонентов-загрязнителей). Поэтому в качестве объектов практических лабораторных работ можно использовать:

- воздух на улице и в классном помещении, а также воздух, вы­дыхаемый человеком при определении углекислого газа;

- выхлопные газы автомобильного двигателя или воздух в мес­тах скопления автотранспорта с работающим двигателем (у свето­форов, на автотрассах с напряженным движением, в автопарках и дворах при пуске и прогреве двигателей и т.п.). Таким образом мо­жет быть определена загрязненность углекислым газом, угарным газом, диоксидом азота и несгоревшими нефтепродуктами. Следует отметить, что максимально допустимая концентрация угарного газа в выхлопных газах составляет: для карбюраторного двигателя - 2% об., для дизельного - 0,5% об., что уверенно определяется индика­торными трубками;

- воздух вблизи промышленных площадок, строительных зон, в свежеокрашенных помещениях, при наличии резкого запаха, сви­детельствующего о загрязнении - сернистым газом, хлором, ам­миаком, органическими растворителями и др. Так, выделение больших количеств сернистого газа происходит при разогреве би­тума для крыш; химические компоненты - загрязнители воздуха часто встречаются в воздухе вблизи складов химических материа­лов, химических производств и цехов;

Назначение и устройство индикаторных трубок

Схема и основные элементы индикаторной трубки представлены на рис. 1.1.

Необходимо обратить внимание на:

1. Признаки непригодности индикаторных трубок: истек срок хранения, обломаны концы, рассыпан наполни­тель, имеется видимое расслоение наполнителя, на внутренней по­верхности трубки имеются следы влаги, изменилась первоначальная окраска наполнителя трубки.

2. На значение фильтрующей трубки. Фильтрующие трубки предназначены для улавливания сопутст­вующих веществ, мешающих анализу (трубка для определения ди­оксида серы), либо для образования с определяемым вредным веществом летучих продуктов, индицируемых порошком индикатор­ной трубки (трубка для определения оксидов азота).

Рис. 1.1. Основные элементы индикаторной трубки

1-корпус; 2-прореагированный наполнитель; 3-исходный наполнитель; 4-направление просасывания воздуха; 5-измерительная шкала.

Внутреннее пространство насоса-пробоотборника имеет калиброванный объем (50см³и 100 см³), а момент окончания прокачивания контролируется по ин­дикатору завершения прососа.

При проведении анализа с использованием индикаторных трубок следует принять во внимание следующие факторы:

1. Просасывание воздуха имеет циклический характер (например, 300 см³ просасывается в виде 3 циклов по 100 см³). Каждый цикл должен выполняться в течение времени, необходимого для проса­сывания объема воздуха, равного объему насоса, что занимает око­ло 40-60 с. О завершении каждого цикла судят по истечении ука­занного времени либо по появлению метки в сигнальном окне на головке насоса. Так, при необходимости просасывания 300 см³ воз­духа необходимо выполнить 3 полных цикла по просасыванию 100 см³ в каждом, что суммарно занимает около 2,5-3 мин.

2. Обратите внимание на необходимость наблюдения за трубкой в ходе измерения. Необходимо быть уверенным, что не произошло не-

контролируемой полной окраски всего индикаторного слоя уже на первом качке насоса. Это может свидетельствовать о том, что концен­трация превышает верхнее значение измеряемого диапазона.

3. Под воздействием химического загрязнителя происходит из­менение окраски слоя хемосорбента (например, от белой до корич­невой). При наличии индикационного эффекта при завершении нужного числа прокачиваний следует обратить внимание на цвет окраски, длину изменившего окраску слоя хемосорбента. Пользу­ясь шкалой концентраций, сравнить ее с приведенными значения­ми ПДК и сделать вывод о превышении ПДК (уровня загрязнения).

При считывании показаний с индикаторной трубки руководствуются следующими правилами:

• показания трубки считывают сразу же после измерения (ес­ли иное не предусмотрено в инструкции по применению). Через некоторое время окраска изменится;

• всегда считывают полную длину окраски, т.е. сумму всех цветов (например, в трубках на толуол может наблюдаться переход светло-коричневой окраски в зеленую);

• при считывании показаний индикаторной трубки необходим достаточный источник освещения, однако следует избегать прямого солнечного света;

• точно оценить окраску поможет светлый фон (белая бумага), а также сравнение использованной и неиспользованной трубок;

• в случае неровной или размытой границы раздела окрасок слоев исходного и прореагировавшего индикаторного по­рошка рассчитывают среднее арифметическое значение мак­симальной и минимальной концентрации.

4. Длина изменившего окраску слоя хемосорбента зависит от концентрации определяемого вещества. Концентрацию определяют по длине прореагировавшего слоя индикаторной массы, ограни­ченного началом шкалы и внешней границей окрашенного слоя (рис. 1.2).

Рис.1.2. Определение концентрации вещества в случае неровной или размытой границы раздела окрасок.

5. На внешней цилиндрической поверхности индикаторной трубки и на этикетке ее упаковки присутствуют одна или несколь­ко измерительных шкал. Для некоторых газообразных веществ (углекислого газа и др.), концентрации которых выражают часто также в объемных процентах, целесообразно привести соответст­вующее выражение для пересчета из одних единиц измерения кон­центраций в другие по формуле:

,

где С₁- концентрация газообразного вещества в об. %;

С₂ - концентрация газообразного вещества в мг/м;

24,3 - молярный объем газа при 20 °С и 760 мм рт. ст.

М - молекулярная масса вещества.

При точном расчете значения концентрации химического веще­ства в воздухе следует учитывать поправку на температуру и дав­ление, которые являются факторами, влияющими на результат анализа. Обычно результат измерения концентрации химического вещества в воздухе приводят к стандартным условиям, в качестве которых приняты температура воздуха 20 °С и атмосферное давле­ние 760 мм рт. ст. Расчет проводят по формуле:

,

где С_В - значение концентрации химического вещества в воздухе, приведенное к нормальным условиям (в мг/м³ либо об. %);

С - значение концентрации химического вещества в воздухе, измеренное с помощью индикаторной трубки, выраженное в тех же единицах, что и С_В;

Р и t - значения атмосферного давления (мм рт. ст.) и температуры (°С) воздуха соответственно в момент анализа.

Пример расчета. При измерении концентрации углекислого га­за в воздухе помещения с помощью индикаторной трубки при температуре 23 °С и атмосферном давлении 751 мм рт. ст. получено значение концентрации, равное 620 мг/м³

Значение концентрации, приведенное к стандартным условиям, составляет:

1.1.3. Порядок применения индикаторных трубок с насосом-пробоотборником НП-3М

Насос предварительно проверяют на герметичность. Для этого проведите пробное прокачивание воздуха, заглушив отверстие входа воздуха каким-либо способом - например, невскрытой индикаторной трубкой. Пробное прокачивание воздуха выполняется аналогично ра­бочему. О герметичности насоса свидетельствует возвращение порш­ня насоса в исходное положение после его вытягивания из корпуса примерно на 1/3 длины штока.

В процессе применения индикаторных трубок выполните сле­дующие операции.

1.Достаньте из упаковки индикаторную трубку (и фильтрую­щую трубку, если ее применение предусмотрено). При подготовке индикаторной трубки к работе каждую из них следует осмотреть на предмет их пригодности как описано в п. 1.2.3.

2. Вскройте запаянные концы трубок. Запаянные концы трубок с обоих концов необходимо вскрыть так, чтобы не нарушилось по­ложения тампонов и слоя наполнителей. Сделать это можно при помощи приспособления на насосе.

3. Соедините трубки с насосом. Вскрытые индикаторную и фильт­рующую трубки (если она необходима, как при определении серни­стого газа) соединяют отрезком резинового шланга как показано на рис. 1.5. Индикаторную трубку вставляют свободным концом в уплотнительную втулку аспиратора.

Прокачайте через индикаторную трубку указанный на этикетке объем анализируемого воздуха с помощью насоса-пробоотборника, для чего выполните следующие операции:

1) приведите насос в исходное положение: шток введен в ци­линдр до упора, метки на крышке и штоке совмещены (поз. 4, 1,2);

2) приведите насос в рабочее состояние вытягиванием штока из исходного положения до фиксации на позиции «100» (поз. 3). При этом через индикаторную трубку просасывается 100 см³ воздуха;

3) для просасывания необходимого объема пробы V, большего 100 см³, повторите операции (1 и 2) n раз (n=V/100), не вынимая индикаторную трубку из уплотнительной втулки насоса.

Момент окончания прокачивания контролируйте по индикатору завершения просос.. Об окончании цикла просасывания свидетельствует появление четкого изображения точки в окошке индикатора.

5. Отсоедините трубки от насоса.

6. Считайте результат измерений со шкалы, нанесенной на по­верхность индикаторной трубки, или приложите индикаторную трубку к шкале на соответствующей этикетке.

7. Заключительные операции. Результаты измерений следует
протоколировать. На основании результатов измерений определяют, не превышены ли значения ПДК.

Для индикаторных трубок, входящих в комплект-лабораторию «Пчелка-У/хим», в качестве воздухопрокачивающего устройства может использоваться наряду с поршневым насосом-пробоотборником НП-ЗМ также аспиратор сильфонного типа АМ-5, имеющий сходные технические характеристики, но отличающийся по принципу действия.

Аспиратор АМ-5 представляет собой сильфонный насос ручно­го действия, работающий на всасывание воздуха за счет раскрытия пружинами предварительно сжатого сильфона и выброса воздуха из сильфона через клапан при сжатии пружин. Аспиратор снабжен устройством для вскрытия трубки индикаторной.

Порядок применения аспиратора АМ-5 при работе с индикатор­ными трубками:

1. Перед применением аспиратор АМ-5 проверяют на герметичность следующим образом: в уплотнительную втулку аспирато­ра вставляют невскрытую индикаторную трубку и сжимают сильфон до упора. Аспиратор считается герметичным, если в тече­ние 5 минут высота сжатого сильфона практически не изменилась(определяется визуально).

2. Вскрытую индикаторную трубку (или соединенную с фильтрующей) плотно вставляют в уплотнительную втулку аспиратора. Для вскрывания трубок удобно использовать отверстие аспиратора АМ-5.

Для проведения цикла прокачивания (за один рабочий ход ас­пиратора прокачивается 100 см³ газовой смеси) быстро сжимают одной или двумя руками сильфон аспиратора до упора (пози­ция Б) и отпускают его до полного натяжения цепочек и резкого смещения рычага, открывающего клапан (позиция А). При сжатии сильфона аспиратор свободно удерживают за крышку большим и указательным пальцами.

3. Прокачивают требуемый объем газовой смеси (в каждом конкретном случае указан в инструкции на индикаторную трубку), сжимая и отпуская сильфон аспиратора соответствующее число раз, кратное 100, не извлекая при этом трубку.

4. По окончании просасывания извлекают индикаторную трубку из уплотнительной втулки аспиратора и определяют концентрацию газа по длине или интенсивности окраски изменившего цвет на­полнителя.

Цель работы: оценка качества воздуха через количественное определение содержания вредных веществ с помощью индикаторных трубок на примере углекислого газа.

Углекислый газ (оксид углерода (IV), диоксид углерода, СO₂) - газ, выделяемый в воздух всеми живыми сущест­вами. Кроме того, огромные количества этого газа выбрасываются в воздух при сгорании топлива, при пожарах и т.п. Содержание СO₂ в атмосфере непрерывно повышается в результате деятельно­сти человека, что обуславливает, в числе других факторов, потеп­ление климата (парниковый эффект).

Нормальное содержание СO₂ в атмосфере составляет 0,03-0,04%. Диоксид углерода не оказывает токсического действия на живые организмы: растения усваивают его в процессе фотосинтеза. Однако, находясь в избыточном количестве в воздухе классной комнаты, он вызывает у учащихся снижение активности на уроке, повышенную утомляемость. А при концентрации СO₂ на уровне 5% уже нельзя нормально работать и появляются признаки удушья (повышение концентрации углекислого газа в данной ситуации со­провождается соответствующим снижением концентрации кисло­рода, израсходованного при дыхании).

Индикаторные трубки позволяют точно измерить концентрацию углекислого газа. Они находят применение при количественном санитарно-химическом и экологическом контроле.

Лабораторная работа выполняется с помощью мини-экспресслаборатории серии «Пчелка-У» либо комплекта индикаторных трубок и насоса-пробо­отборника.

Часть I. Экспресс-анализ воздуха на содержание углекислого газа

Оборудование: индикаторные трубки для определения углеки­слого газа, насос-пробоотборник, термометр, секундомер.

Ход работы

Перед началом работы внимательно прочитайте инструкцию по применению индикаторных трубок и насоса.

1. Вскройте индикаторную трубку на СO₂ с обоих концов, используя отверстие в головке насоса. Обратите внимание на первоначальный цвет наполнителя индикаторных трубок.

2. Подсоедините индикаторную трубку со стороны выхода воздуха к насосу.

3. Прокачайте через индикаторную трубку воздух помещения (улицы, парка) в количестве, указанном в ин­струкции по применению индикатор­ной трубки, сделав требуемое количе­ство качаний насосом.

4.Отметьте изменение окраски на­полнителя и длину прореагировавшего столбика наполнителя после прокачивания. Расположите индикаторную трубку рядом со шкалой, изображенной на этикетке, и определите величину концентрации углекислого газа (С₂) в мг/м³ по границе столбика, изменившего окраску.

5. При необходимости пересчитайте концентрацию СO₂ из мг/м³ в объемные % по формуле:

где: С₁- концентрация газа в объемных %;

С₂ - концентрация газа в мг/м;

М- молярная масса углекислого газа (М=44).

Часть II. Экспресс-анализ выдыхаемого воздуха на содержание углекислого газа

Выполнение данного эксперимента аналогично предыдущему, но имеет некоторые особенности, связанные с отбором пробы выдыхае­мого воздуха.

Оборудование: индикаторные трубки для определения углеки­слого газа, мешок полиэтиленовый объемом 3-5 л, насос-пробоотборник, термометр, секундомер.

Ход работы.

1. Приготовьте и расправьте поли этиленовый пакет из комплекта. Осмотрите пакет. Пакет должен быть чистым и сухим.

2. Сделайте выдох в пакет, напол­няя его выдыхаемым воздухом.

3. Загерметизируйте пакет, зажав его горловину рукой.

4. Возьмите заранее приготовленную индикаторную трубку с насосом, как показано в п. 1-2 1-й части данной работы. Приот­кройте пакет и быстро поместите туда индикаторную трубку вме­сте с частью насоса, после чего пакет снова загерметизируйте, за­жимая рукой, как показано на рисунке.

5. Прокачайте необходимый по инструкции объем воздуха.

6. Занесите полученные результаты в таблицу по следующей форме:

Опыт 2. Определение загрязнения воздуха выхлопными газами автомобиля

Выполняется с помощью модификаций «Пчелка-У», «Пчелка-У/хим».

Цель работы: оценка содержания двуокиси углерода и оксидов азота через количественное определение с помощью индикатор­ных трубок.

Оборудование и принадлежности: индикатор­ные трубки для определения в воздухе оксида азота (IV) и оксида углерода (IV); насос-пробоотборник; мешок полиэтиленовый объе­мом 3-5 л.

Ход работы

1. Приготовьте и расправьте полиэтилено­вый мешок. Осмотрите его. Мешок должен быть чистым, сухим и целым.

2. Наденьте мешок на 3-5 с на выхлопную трубу глушителя автомашины с работающим двигателем, как показано на рисунке, и на­ полните мешок выхлопными газами.

3. Герметично зажмите рукой горловину мешка.

Экс­пресс-анализ выхлопных газов выполняют, последовательно опре­деляя в них СO₂ и NO₂ с помощью индикаторных трубок.

4. Вскройте индикаторную трубку на СO₂ или NO₂ с обоих концов, используя отвер­стие в головке насоса. Обратите внимание на первоначальный цвет наполнителя инди­каторных трубок.

5. Подсоедините индикаторную трубку со стороны выхода воздуха к насосу.

6. Приоткройте пакет и быстро поместите туда индикаторную трубку вместе с частью насоса, после чего пакет снова загерметизи­руйте, зажимая рукой.

7. Прокачайте через индикаторную труб­ку необходимый по инструкции объем воз­духа, сделав требуемое количество качаний насосом.

8. Отметьте изменение окраски наполни­теля и длину прореагировавшего столбика наполнителя после прокачивания. Расположите индикаторную трубку рядом со шка­лой, изображенной на этикетке, и определи­те величину концентрации углекислого газа (С₂) в мг/м³ по границе столбика, изменив­шего окраску.

9. При необходимости пересчитайте концентрацию СO₂ или NO₂ из мг/м³ в объемные % по формуле:

где: С₁- концентрация газа в объемных %;

С₂ - концентрация газа в мг/м;

М- молярная масса СО₂ или N02 (М=44 или 46 соотвественно).

10. Занесите полученные результаты в таблицу по сле­дующей форме:

Таблица 1.1

Контрольные вопросы.

1. Назначение и комплектация мини-экспресслаборатории серии «Пчелка-У».

2. Назовите и охарактеризуйте основные компоненты выхлопных газов автомобилей, загрязняющих атмосферный воздух.

3. Порядок работы и расчет концентраций CO₂ и NО₂ в выхлопных газах автомобиля.

4. Проанализируйте полученные результаты и сделайте выводы о содержании загрязнителей в выхлопных газах автомобиля.

Опыт 3. Экспресс-контроль загрязненности воздуха парами аммиака

Цель работы: изучение загрязненности воздуха вредными хи­мическими веществами.

Основные источники химических загрязнений воз­духа - промышленность и хозяйственная деятельность человека, связанная со сжиганием горючих материалов. Выполнение данной работы позволит ознакомиться с экспресс-анализом загрязненности воздуха химическими веществами на примере аммиака. К примеру, среднегодовая концентрация этого газа в крупном городе может превысить санитарную норму в 1,5 раза. Хроническое отравление аммиаком вызывает расстройство пищеварения, катары верхних дыхательных путей и ослабление слуха.

Оборудование и реактивы: мешок полиэтиленовый объемом 3-5 л, пипетка-капельница, нож­ницы, тест-система «Аммиак», аммиачная вода, секундомер.

Ход работы.

1. Подготовьте полоску тест-системы. Для этого вскройте упаковку полоски тест-системы, срезав поперек упаковки ножницами не более 2 мм индикаторной полоски.

2. Поместите в расправленный полиэтилено­вый мешок 1-2 капли аммиачной воды, герме­тично закройте его и выдержите 3-5 мин для насыщения воздуха аммиаком.

3. Поместите подготовленную полоску в
мешок, закрепив его на нитке или скотче, и
снова загерметизируйте мешок (полоска не
должна соприкасаться с каплей аммиачной во­ды).

4. Отметьте время начала эксперимента пус­ком секундомера.

5. Отметьте по секундомеру время появле­ния синего порогового окрашивания (индика­ционного эффекта).

6. Оцените уровень концентрации аммиака в зависимости от времени возникновения пороговой окраски по табл. 1.2:

Таблица 1.2

Пример. Индикационный эффект от воздействия паров аммиака возник через 10 секунд с начала эксперимента. По данным табли­цы, концентрация аммиака составляет от 100 до 1000 мг/м³.

7. Занесите полученные результаты в таблицу по сле­дующей форме:

Контрольные вопросы

1. Назовите основные загрязнители атмосферы и их источники.

2. Что включает в себя контроль за состоянием атмосферы?

3. Как производится отбор проб воздуха?

4. Назовите основные загрязнители воздуха внутри помещений и их источники.

5. Перечислите основные свойства аммиака и источники его поступления в воздух.

6. Каков порядок определения загрязненности воздуха парами аммиака с помощью мини-экспресслаборатории «Пчелка-У»?

7. Проанализируйте полученные результаты и сделайте выводы об уровне загрязненности воздуха аммиаком.

8. Используя данные о ПДК аммиака, ответьте на вопрос: допустима ли такая загрязненность воздуха аммиаком?