Аналитические методы контроля в техносферной безопасности. Лекция 1

Аналитические методы контроля в техносферной безопасности необходимы для оценки и прогнозирования состояния объектов окружающей среды (проектирование, строительство, эксплуатация, мониторинг и т.д.).
Основными задачами экологического мониторинга являются:
- наблюдение за происходящими в окружающей природной среде физическими, химическими и биологическими процессами;
- наблюдение за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, почв, водных объектов и последствиями его влияния на растительный и животный мир;
- обеспечение текущей и экстренной информацией об изменениях в окружающей природной среде.
Важно, чтобы предел обнаружения методов аналитического контроля был не ниже 0,5ПДК определяемого вещества.
Лишь современные методы инструментального анализа позволяет достигать необходимых низких пределов обнаружения, высокой чувствительности.
По степени удаленности от объекта анализа различают дистанционные (аэрокосмические, лидарные) и контактные (химические, физические и т.д.) методы экологического контроля.
Приборы бывают стационарные и переносные. Метода анализа бывают качественные и количественные.
Объектами аналитического контроля могут быть все объекты окружающей природной и техногенной среды.

Имеются четыре пути определения состава веществ: с помощью химического анализа, физического и физико-химического, биологического анализа.
Химические методы анализа – это методы, при реализации которых
основным средством получения аналитического сигнала являются хими-ческие реакции, а разновидностями такого сигнала являются значения величин массы продуктов реакции или объѐма раствора реагента израсходованного на реакцию с определяемым компонентом.
Физико-химические методы – это методы, при реализации которых
основным средством получения аналитического сигнала также являются
химические реакции, а разновидностями такого сигнала являются физические величины: равновесный потенциал, электропроводность раствора, величина поглощения электромагнитного излучения, величина диффузионного тока и др.
Физические методы - основаны на измерении эффекта, вызванного взаимодействия с веществом излучения - потока квантов или частиц. Излучение играет примерно ту же роль, что играет реактив в химических методах анализа. Измеряемый физ. эффект представляет собой сигнал. В результате измерений величины сигнала и их обработки получают аналитический сигнал. Он связан с концентрацией или массой определяемых компонентов.

Основные методы количественного анализа

Классические химические методы анализа

Физические методы контроля

В отдельную группу аналитического контроля можно вынести биологические методы.
Ни один из вопросов контроля за состоянием окружающей среды не может быть объективно решён лишь на уровне рассмотрения ее количественных показателей, а требует проведения специальной разносторонней оценки качества среды обитания, т.е. необходима интегральная характеристика её состояния, биологическая оценка.
Интегральные методы оценки экологической обстановки в свою очередь тоже можно разделить на две группы – биоиндикации и биотестирования (последние называют также токсикологическими методами).
Биоиндикация — оценка качества природной среды по состоянию её биоты. Биоиндикация основана на наблюдении за составом, качеством и численностью видов-индикаторов.
Биотестирование — процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов.

Схема аналитического контроля объектов окружающей среды

Химические методы анализа
Методы гравиметрии (выделения, отгонки, осаждения) основаны на точном измерении массы исходных веществ и образующихся продуктов реакции с помощью взвешивания.

Титрометрия
Данные методы основаны на точном измерении объема титранта, затраченного на реакцию с определяемым веществом, и на строгом соблюдении закона эквивалентов, согласно которому вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах.
Титрование — процесс постепенного приливания раствора титранта к раствору с определяемым веществом.
Титранты — стандартные растворы (растворы с точно известной концентрацией).

Титрование проводится с помощью бюретки – стеклянной трубки с краником в которую наливают раствор кислоты или щелочи точно известной концентрации. Для визуальной оценки протекания реакции в колбу добавляется индикатор .

Физико-химические методы анализа (ФХМА) основаны на использовании зависимости между измеряемыми физическими параметрами веществ и их содержанием.
Различают прямые и косвенные (методы титрования) ФХМА.
Практически во всех прямых ФХМА для определения содержания компонентов применяют метод градуировочного графика, метод сравнения со стандартом или метод добавок.
Преимущества ФХМА перед ХМА является их экспрессность, чувствительность и универсальность.
Недостатками является – высокая стоимость оборудования и более высокая погрешность определения (до 30%)

1. Метод градуировочного графика.
Для серии стандартных растворов в одинаковых условиях определяют аналитический сигнал (АС) — измеряемый физический параметр, функционально связанный с содержанием определяемого вещества, например: ток, потенциал, количество электричества, оптическая плотность, почернение линии и т. д. По этим данным строят график зависимости АС от концентрации (рис.). Затем измеряют АС в этих же условиях для анализируемого образца (АСх ) и с помощью градуировочного графика находят концентрацию определяемого вещества (Cx ).

3 Метод добавок.
Регистрируют АС исследуемого раствора (АСx ) выбранным методом, затем вносят в этот раствор порцию (добавку) стандартного раствора и регистрируют опять АС (АСx + доб). Методом добавок можно проводить определение Сх с помощью графика (рис.), для построения которого измеряют АС анализируемого раствора (АСх ), после вводят добавки стандарта (Сх + Сiд , где Сiд — концентрации i-х добавок) и измеряют АС полученных растворов. По данным измерений строят график, причем аналитический сигнал от анализируемого раствора (АСх ) откладывают на оси ординат (при С = 0). График экстраполируют до пересечения с осью абсцисс, расстояние от этой точки пересечения до оси ординат — искомое содержание Сх .

Физические методы анализа

Биологические методы анализа
Биоиндикация - при­клад­ное на­прав­ле­ние эко­ло­гии, свя­зан­ное с по­ис­ком и ис­поль­зо­ва­ни­ем био­ин­ди­ка­то­ров – ор­га­низ­мов, на­ли­чие, чис­лен­ность и осо­бен­но­сти раз­ви­тия ко­то­рых слу­жат по­ка­за­те­ля­ми ес­те­ст­вен­но про­те­каю­щих про­цес­сов или из­ме­не­ний сре­ды оби­та­ния под влия­ни­ем ан­тро­по­ген­ных воз­дей­ст­вий.
Отдельные ви­ды ор­га­низ­мов весь­ма чув­ст­ви­тель­ны и из­би­ра­тель­ны по от­но­ше­нию к различным фак­то­рам сре­ды оби­та­ния, ха­рак­те­ри­зую­щим их эко­ло­ги­че­скую ни­шу: к кон­цен­тра­ции пи­ще­вых ре­сур­сов, к хи­мическому и ме­ха­ническому со­ста­ву поч­вы, вод, ат­мо­сфе­ры, к кли­ма­тическим и по­год­ным ус­ло­ви­ям - они мо­гут су­ще­ст­во­вать толь­ко в оп­ре­де­лён­ных, час­то уз­ких гра­ни­цах из­ме­не­ния этих фак­то­ров.
Самым распространенным и наиболее простым в исполнении является морфологический подход. Например, наиболее чувствительным к загрязнению атмосферы являются ассимиляционные органы растений, поэтому при оценке степени поражения деревьев выбросами характеризуют продолжительность жизни и величина некрозов листьев и хвои, густота охвоения побегов в верхней части кроны деревьев, жизненное состояние деревьев.

Биотестирование
Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов.
Благодаря простоте, оперативности и доступности биотестирование получило широкую признание во всем мире и его все чаще используют наряду с методами аналитической химии.
Биотестирование как метод оценки токсичности используется:
- при проведении токсикологической оценки промышленных, сточных бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных и пр. вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения,
в контроле аварийных сбросов высокотоксичных сточных вод,
при проведении оценки степени токсичности почв, грунтов, отходов.
в контроле токсичности сточных вод, подаваемых на очистные сооружения биологического типа с целью предупреждения проникновения опасных веществ для биоценозов активного ила,
при определении уровня безопасного разбавления сточных вод для гидробионтов с целью учета результатов биотестирования при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водоемы со сточными водами,
при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и пр.