ЛПЭМ 1 (Лабораторный практикум)

Введение

Экология (от греч.  - дом, жилище, пристанище и … логия) – наука об отношениях растительных и животных организмах, образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой.

Загрязнение окружающей среды, другие отрицатель-ные последствия научно-технического прогресса, неблагоприятное воздействие человека на окружающую среду требуют проведения широкомасштабных природо-охранных мероприятий. В связи с этим резко возрастает практическое значение экологии как научной основы рационального природопользования. Экологический подход стал, в прямом смысле этого слова, жизненно необходимым при решении производственных и научно-технических задач.

Экологический мониторинг (от лат. monitor – надзирать) – система регламентированных наблюдений с запрограммированным пространственным, временным и компонентным разрешением, а также оценка и прогноз состояния природной среды и природных ресурсов, включая и системы источников антропогенного воз-действия.

В оценке последствий воздействия на природу важное место занимают мониторинг и расчёт допустимых (без вреда для человека и природы) масштабов загрязнений, в частности, предельно допустимых концентраций различных веществ, отравляющих атмосферу, воду и почву.

Поэтому всё более возрастающие требования предъявляют к качеству подготовки технических кадров, а это в свою очередь выдвигает проблему повышения эффективности подготовки специалистов в высшей школе.

Специалист этого профиля должен иметь знания, умения и навыки в следующих областях: характеристик и особенностей окружающей среды как объекта контроля и управления, включая нормативы контроля; методичес-кого обеспечения систем мониторинга, в том числе основных физико-химических методов контроля, методик выполнения измерений и др.; технического обеспечения систем мониторинга и, прежде всего, аналитических приборов, систем и комплексов для контроля приоритетных загрязнителей, микропроцессорных средств, автоматизированных средств отбора и подготовки пробы; метрологического обеспечения приборов и систем контроля параметров окружающей среды; математического и программного обеспечения систем мониторинга, включая вопросы моделирования и оптимизации объектов, средств и систем контроля, обработки измерительной информации, прогноза распространения экологических нарушений во времени и пространстве, выработке рекомендаций по текущему и долгосрочному управлению окружающей средой; расчёта, проектирования и эксплуатации автоматизированных систем экомониторинга; стандартизации в области контроля параметров окружающей среды; экономических аспектов обеспечения экологической безопасности.

С этой целью на кафедре Мониторинга и автоматических систем контроля (МАСК) МГУИЭ был создан лабораторный практикум по экологическому мониторингу жидких сред.

Лабораторный практикум предназначен для студентов специальностей 0720, 2102, 3302 и 3307 изучающих дисциплины «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», «Автоматический мониторинг окружающей среды», «Методы аналитического контроля», «Монито-ринг и контроль окружающей среды», «Системы экологического мониторинга», «Технологические измере-ния и приборы» и «Экологический мониторинг». Лабораторный практикум составлен в соответствии с программой изучаемых дисциплин, в нём использован многолетний опыт проведения лабораторных работ на кафедре МАСК.

Лабораторный практикум состоит из введения и девяти глав.

В первой главе даны общие сведения об экологическом мониторинге и описаны его методы.

Во второй главе дан необходимый минимум сведений об измерении и контроле, средствах измерений и их характеристиках.

В третьей главе изложен порядок проведения работы, меры безопасности и правила оформления отчёта по лабораторной работе.

В четвёртой – восьмой главах изучаются такие технические средства экологического мониторинга, как рН-метр, иономер, фотоколориметр, рефрактометр и частотный кондуктометр (5 лабораторных работ).

В девятой главе изложена методика обработки результатов измерений.

В зависимости от специализации и профиля подготовки специалистов, а также возможностей конкретного ВУЗа и кафедры по предлагаемым методикам можно выполнять и другие работы.

Практикум не претендует на полноту охвата номенклатуры технических средств, применяемых в настоящее время, и не заменяет справочников по средствам измерения и автоматизации. Из-за ограниченного времени, отводимого на проведение лабораторных работ, в практикуме допущены отклонения от инструкций по работе с приборами. Например, не требуется в полном объёме выдерживать время прогрева приборов, время измерения температуры, выдерживать измерительные электроды в соответствующих растворах и т.п. Тем не менее, хочется надеяться, что практикум позволит активизировать самостоятельную работу студентов, укрепить их знания и навыки, повысить успеваемость.

В работе над лабораторным практикумом принимали участие следующие преподаватели, аспиранты, обучаю-щиеся на кафедре, а также студенты старших курсов: Андреев И.А, Головин В.В., Кавтарадзе А.И., Коваленко П.Н., Куприн Е.Г., Ушаков К.Ю.

1. Экологический мониторинг

В настоящее время человечество вступило в такой этап своего существования, когда мощь создаваемых им химических, биологических и физических средств воздействия на среду обитания становится соизмеримой с силами природы. Это подтверждает гениальное предвидение В.И. Вернадского (русский учёный, основатель геохимии, биогеохимии, радиологии, 1869 – 1945) о том, что хозяйственная деятельность человека становится силой, способной изменить мир, поставив его на грань экологической катастрофы. Изменения природной среды связаны прежде всего с процессами загрязнений твёрдой, жидкой и газообразной составляю-щей биосферы. Источниками загрязнения являются организованные и неорганизованные промышленные выбросы, отходы агропромышленного производства, процессы добычи полезных ископаемых, транспортные средства и др.

Наибольшее загрязнение атмосферы приходится на долю оксидов углерода, соединений азота и серы, углеводородов и промышленной пыли. За год в атмосферу Земли выбрасывается примерно 200 млн. т оксида углерода, около 20 млрд. т диоксида углерода, 150 млн. т диоксида серы, 250 млн. т пыли, по 50 млн. т оксидов азота и различных углеводородов.

Биосфера (от греч. βιοσ – жизнь и  - шар) быстро насыщается тяжёлыми металлами, в частности, рассеивание ртути и свинца превышает 80 % их годового производства. При сжигании угля с золой и отходящими газами в окружающую среду поступает больше, чем добывается из недр: молибдена – в 3 раза, мышьяка – в 7, алюминия и кобальта – 15, ртути – в 50 раз.

Ежегодно в мировой океан поступает до нескольких миллионов тонн нефти и нефтепродуктов. Водный кризис затронул практически все страны мира.

Существенной трансформации подвергается лито-сфера (от греч. - камень и …сфера), особенно её верхний горизонт в пределах суши. В ХХ веке на поверхность земли осело около 20 млрд. т шлаков, 3 млрд. т золы; более миллиона тонн мышьяка, кобальта и никеля; около миллиона тонн цинка. Увеличивающаяся интенсификация сельского хозяйства, широкое использование синтезированных удобрений и средств защиты растений ведут к загрязнению культивируемых земель, засолению и эрозии (от лат. erosio - разъедание) почвы.

Указанные процессы в полной мере характерны и для Российской Федерации, 15 % её территории (около 2,5 млн. км²) относится к зонам экологического бедствия; в их числе и московский регион. Москва, например, занимает 70-е место среди крупнейших городов мира по продолжительности жизни населения.

Анализ рассматриваемых проблем привёл к необ-ходимости создания концепции экологической безо-пасности и управления природоохранной деятельностью в РФ, в рамках которой первостепенное значение имеет мониторинг антропогенного (от греч.  – человек и греч.  – род, происхождение) воздействия, фактического состояния биосферы, прогноз её будущего развития. Согласно этой концепции, под экологическим мониторингом понимают систему регламентированных наблюдений с запрограммированным пространственным, временным и компонентным разрешениями, а также оценки прогноза состояния природной среды и природных ресурсов, включая биотическую составляю-щую, и систем источников антропогенного воздействия. Таким образом, основными задачами экологического мониторинга являются измерение, оценка и прогноз интенсивности экологических факторов воздействия и реакций биоты. При этом экологический фактор – это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм, или любой параметр среды, на который организм отвечает соответствующими реакциями.

Целью экологического мониторинга является ин-формационное обеспечение управления природоох-ранной деятельностью и экологической безопасности. Для достижения этой цели в настоящее время активно формируют Единую государственную систему экологи-ческого мониторинга (ЕГСЭМ) РФ, основными задачами которой являются:

- организация наблюдений за экологическими факторами и проведение измерений их показателей;

- сбор и обработка данных наблюдений;

- организация и ведение банков данных, характеризую-щих экологическую обстановку и состояние природных ресурсов в РФ или отдельных регионах;

- информационное обеспечение долгосрочного и оперативного управления состоянием природной среды, в том числе при возникновении чрезвычайных ситуаций.

В структурном отношении ЕГСЭМ включает в себя подсистемы: мониторинга атмосферного воздуха, поверхностных вод суши, морских вод, почв. ЕГСЭМ построена по иерархическому принципу и является открытой информационно-измерительной системой, допускающей подключение новых объектов и систем.

Основной системообразующий элемент ЕГСЭМ – локальный уровень. Локальные системы мониторинга осуществляют наблюдение за экологическими факторами и вырабатывают информацию о состоянии объектов окружающей среды в реальном либо квазиреальном масштабе времени в целях оперативного принятия управляющих решений, формируют информацию для банков данных верхнего уровня иерархии (регионального, федерального). В настоящее время локальный уровень ЕГСЭМ реализуют обычно в виде автоматизированных систем контроля (АСК) или автоматизированных информационно-измерительных систем (АИИС), включающих автоматические анализаторы для контроля заданного числа экологических параметров в непрерывно-циклическом режиме; системы отбора и подготовки проб для анализа; передвижные аналити-ческие лаборатории, осуществляющие мониторинг по заданной программе; стационарные лаборатории для анализа проб, которые нецелесообразно контролировать в полевых условиях; компьютерные центры обработки и формирования экологической информации, которые обычно решают задачи управления процессом функционирования АСК.

Управление качеством природной среды требует установления допустимых экологических и гигиенических нагрузок, определяющих приемлемые для человека и экосистемы в целом уровни загрязнения природных сред. Эти уровни нормированы действующим в РФ законодательством в виде предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочных безопасных уровнях воздействия (ОБУВ) и установлены более чем для 6000 веществ в воздухе, воде и почве, причём этот перечень непрерывно пополняется и не исчерпывает всего многообразия экоаналитических задач, поскольку не учитывает совместного присутствия в окружающей среде нескольких загрязняющих веществ, обладающих полным или неполным суммированием действий.

На основании действующих в РФ нормативных документов (ГОСТ) сформированы требования к аппаратуре и методикам выполнения измерения (МВИ) или методикам количественного химического анализа (МКХА) загрязняющих веществ в окружающей среде. Каждую МВИ, а их в сфере контроля параметров окружающей среды разработано более 700, оформляют в виде Государственного стандарта РФ и она содержит: сведения об определяемых компонентах и диапазонах их измерения в объекте; выбор метода и средства измерения (в том числе стандартных образцов, аттестованных смесей), вспомогательных и других технических средств; установление последовательности и содержания операций при подготовке и выполнении измерений, обработке результатов; определение приписанных характеристик погрешности измерений. В аттестованных методиках контроля параметров окружающей среды используют весь арсенал освоенных физических и физико-химических методов анализа. Таким образом, МВИ – совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результата измерения с известной погрешностью. Актуальность и сложность задач разработки и внедрения эффективных метрологически аттестованных методик контроля качест-ва воздуха, воды и почвы обусловлены непрерывным расширением состава контролируемых параметров и ужесточением требований к чувствительности и точности реализуемых процедур контроля.

Исключительное значение для эффективности экологического мониторинга имеет обеспечение достоверности получаемой информации. Достоверность измерений интенсивностей экологических факторов в свою очередь строится на основе национальной и международной систем единства измерений. Националь-ная система РФ базируется на комплексе государственных эталонов (фр. etalon), исходных средств и стандартных образцов, обеспечивающих воспроизведе-ние и передачу размеров единиц основных величин, характеризующих химические и биологические факторы, в соответствии с государственными поверочными схемами. Например, государственная поверочная схема для средств содержания компонентов в газовых смесях включает в себя: первичный эталон единиц молярных и массовых концентраций компонентов в газах, эталоны сравнения (чистые газы и смеси в баллонах под давлением), газоаналитические и газосмесительные установки высокой точности, стандартные образцы состава чистых газов и газовых смесей и др.

Основу метрологического обеспечения контроля параметров окружающей среды составляют: