Атмосферный воздух как объект анализа

Атмосферный воздух представляет собой газовый компонент окружающей среды. Более 99,9% сухого чистого атмосферного воздуха состоит из азота, кислорода и аргона и лишь около 0,1% приходится на долю оксида углерода, криптона, неона, гелия, ксенона и водорода. Но даже в чистом воздухе содержатся следовые количества (до 0,25 мг/м³) оксида углерода, озона, оксидов азота и аммиака, а также 0,5—1,5 мг/м³ водорода и метана. Присутствие небольших количеств этих газов объясняется существованием свободного озона в верхних слоях атмосферы, а также процессами гниения и разложения (аммиак, метан, оксиды углерода и азота) или атмосферными явлениями (диоксид азота).

В атмосферном воздухе содержатся также твердые и жидкие компоненты. К ним относятся аэрозоли металлов, твердые частицы (пыль, песок, сажа, вулканическая пыль и аэрозоли органической (высокомолекулярные соединения) и неорганической природы) с диаметром 0,001—100 мкм, радиоактивные вещества. Вещества, изменяющие естественный состав атмосферы и попадающие в воздух из источников антропогенного происхождения, считаются загрязнителями. К ним относятся и некоторые газовые компоненты, отсутствую­щие в чистом воздухе: оксиды серы (SO₂, SO₃, сероводород); окислы азота (NO, NO₂, аммиак), окислы углерода (СО, СОг); фтористый и хлористый водород.

Основными источниками индустриальных загрязнений воздуха являются:

— тепловые электростанции, работающие на каменном угле и выбрасывающие в атмосферу сажу, золу и диоксид серы;

— металлургические заводы, выбросы которых содержат сажу, пыль, оксид железа, диоксид серы, фториды;

— цементные заводы, выделяющие огромное количество пыли;

— крупные предприятия по производству продуктов неорганической химии — диоксид серы, фтороводород, оксиды азота, хлор, озон;

— заводы по производству целлюлозы, очистке нефти — газообразные отходы (одоранты);

— предприятия нефтехимии — служат источником поступления углеводородов и органических соединений других классов, таких, как амины, меркаптаны, сульфиды, альдегиды, кетоны, спирты, кислоты и др.;

— отработанные газы автомобилей, а также процессы испарения топлива — оксид углерода, газообразные углеводороды и не изменив­шиеся составные части топлива, высококипящие полициклические аро­матические углеводороды и сажа, продукты неполного окисления топлива (например, альдегиды), галогеноуглеводороды, тяжелые металлы и оксиды азота, образованию которых способствуют процессы, проис­ходящие при сгорании топлива;

— лесные пожары, в результате которых в воздух выделяется значительное количество углеводородов и оксидов углерода.

В зависимости от источника и механизма образования различают первичные и вторичные загрязнители воздуха.

Первичные загрязнители представляют собой вещества, попа­дающие в воздух непосредственно из стационарных или подвижных источников, в то время как вторичные образуются в результате взаимодействий в атмосфере первичных загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами {кислород, озон, аммиак, вода) под действием ультрафиолетового излучения.

Большая часть присутствующих в воздухе твердых частиц и аэро­золей являются вторичными загрязнителями, которые часто оказыва­ются гораздо токсичнее первичных. Выхлопные газы состоят из раз­личных веществ и могут под действием солнечной радиации вступать в атмосфере в фотохимические реакции, приводящие к образованию токсичного смога.

Более подробно остановимся на тех загрязнителях, которые пред­ставляют наибольшую опасность для здоровья человека.

Все так называемые критериальные загрязнители (для которых вводятся специальные критерии ПДК) — оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды, твердые частицы и фотохимиче­ские оксиданты — считаются первичными загрязнителями атмосферы. Из них диоксид серы — главный и наиболее опасный для животных и растений загрязнитель воздуха, участвующий в образовании фотохи­мического смога. Чрезвычайно опасным газообразным загрязнителем воздуха является также оксид углерода, токсичность которого обуслов­лена реакцией с гемоглобином крови. Большую опасность представля­ют газы и пары органических веществ и тяжелые металлы (свинец, кадмий, бериллий и др.). Полициклические ароматические углеводороды могут быть как первичными, так и вторичными загрязнителями атмосферы и обычно адсорбируются на твердых частицах. Многие из этих веществ отличаются выраженным канцерогенным и мутагенным действием и представляют серьезную угрозу для человека. Следовые количества химических элементов представлены в атмосфере такими высокотоксичными загрязнителями, как мышьяк, бериллий, кадмий, свинец, магний и хром (обычно присутствуют в воздухе в виде неорганических солей, адсорбированных на твердых частицах). Около 60 ме­таллов присутствуют в продуктах сгорания угля и дымовых газах ТЭС. Ежегодно в воздушный бассейн попадает огромное количество свинца. Очень токсичны металлическая ртуть и свинец, а также их металлоорганические соединения.

Скапливаясь в атмосфере, загрязнители взаимодействуют друг с другом, гидролизуются и окисляются под действием влаги и кислоро­да, а также изменяют свой состав под воздействием радиации (поэто­му продолжительность пребывания токсичных примесей в атмосфере связана с их химическими свойствами). Большую опасность представ­ляют также смеси различных загрязнителей, концентрация отдельных компонентов в которых ниже ПДК. Вместе такие смеси могут пред­ставлять значительную угрозу всему живому вследствие кумулятивно­го эффекта. Велика продолжительность пребывания в воздухе малоактивных соединений — постоянных газов (фреоны и диоксид углерода). Из пестицидов, которые распыляют с самолетов, особенно токсичны фосфорорганические пестициды, при фотолизе которых в атмосфере образуются продукты еще более токсичные, чем исходные соединения.

Так называемые абразивные частицы, к которым относятся диок­сид кремния и асбесты, при респираторном проникновении в организм вызывают серьезные заболевания. Сульфаты, нитраты и другие соеди­нения из последней группы являются продуктами реакций первичных загрязнителей атмосферы. Например, нитрозамины, обладающие выра­женной канцерогенной активностью, образуются в атмосфере при взаимодействии аминов с оксидами азота. К потенциальным канцеро­генам относятся и хлорбифенилы, которые обычно добавляют к пестицидам для усиления действия ядохимикатов.

Отметим особенности анализа воздуха как одного из основных объектов в задачах лабораторного исследования окружающей среды. Ализируемый загрязненный воздух – это нестационарная, негомогенная, многофазная и многокомпонентная система. Сложность анализа при­месей в атмосфере состоит в том, что, попадая в воздух, например, из дымовой трубы, загрязнители сразу же разбавляются. При этом газы растворяются, жидкости конденсируются, а твердые частицы образуют суспензию в воздухе. Кроме того, загрязнители попадают в атмосферные потоки и могут передвигаться на большие расстояния. При этом они переносятся к твердым телам или водной поверхности за счет се­диментации, диффузии или под действием дождевых капель. Загрязненность воздуха зависит от расстояния до источника загрязне­ния, его интенсивности, топографии местности и локальных метеоусловий.

При лабораторном контроле необходимо контролировать источники загрязнения воздуха, распространение на различные растояния по различным направлениям, фоновый и чистый воздух.

К кругу задач лабораторного анализа воздуха относится контроль степени загрязне­ния воздуха на рабочем месте (внутри производственных помещений). Это означает, что в аналитических лабораториях окружающей среды необходимо определять концентрацию вредных веществ в воздухе в интервале от миллиграмма- на метр кубический до нанограмма на метр кубический. Причем проба воздуха, необходимая для такого анализа, должна быть внесена внутрь аналитической системы с возможно меньшими измене­ниями в физическом состоянии и химическом составе.