Анализ объектов окружающей среды

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2019

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

Ю. С. Петрова, Л. К. Неудачина, Е. Л. Лебедева

АНАЛИЗ ОБЪЕКТОВ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано

методическим советом Уральского федерального университета
в качестве учебно-методического пособия для студентов вуза,

обучающихся по направлениям подготовки

04.03.01, 04.04.01 «Химия»,

04.03.02 «Химия, физика и механика материалов»,

по специальности 04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия»

УДК 502.175(075.8)
ББК 20.18я73
        П129

В учебном пособии рассмотрены показатели качества объектов окружающей

среды (воздуха, воды и почв), способы отбора и подготовки проб к аналити-
ческому определению различных органических и неорганических загрязните-
лей, а также инструментальные методы анализа.

Адресовано студентам химических направлений и специальностей,

изучающим аналитическую химию.

Петрова, Ю. С.

Анализ объектов окружающей среды : учеб.-метод. пособие /

Ю. С. Петрова, Л. К. Неудачина, Е. Л. Лебедева ; [под общ. ред.
Е. Л. Лебедевой] ; М-во науки и высш. образования Рос. Феде-
рации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та,
2019. – 244 с.

ISBN 978-5-7996-2549-8

П129

ISBN 978-5-7996-2549-8

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра физики и химии

Уральского государственного экономического университета

(заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор Н. Ю. Стожко);

Е. П. Собина, кандидат химических наук

(Уральский научно-исследовательский институт метрологии)

П о д  о б щ е й  р е д а к ц и е й

кандидата химических наук Е. Л. Лебедевой

УДК 502.175(075.8)

ББК 20.18я73

© Уральский федеральный университет, 2019

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебно-методическое пособие составлено в соответ-

ствии с программой специального курса «Анализ объектов окру-
жающей среды», изучаемого студентами 4-го курса бакалавриата
по направлению «Химия» в рамках модуля «Анализ реальных объек-
тов». Вместе с тем пособие может быть полезно всем студентам
бакалавриата, специалитета и магистратуры, обучающимся по ес-
тественно-научным направлениям подготовки.

В пособии рассматриваются способы отбора и подготовки проб

к аналитическому определению различных органических и неорга-
нических загрязнителей в составе объектов окружающей среды
(воздуха, воды и почв), а также конечные инструментальные мето-
ды их анализа. Основой для усвоения материала являются знания,
полученные студентами в курсах «Основы химического анализа»
и «Физико-химические методы анализа», которые здесь углубляют-
ся и расширяются применительно к анализу объектов окружаю-
щей среды. В то же время особенностям пробоотбора и пробопод-
готовки этих объектов ранее в учебном процессе не уделялось
достаточно внимания, несмотря на то, что часто именно эта ста-
дия анализа вносит основной вклад в погрешность определения.
Отличительной особенностью пособия является комплексный
подход к рассмотрению вопросов, связанных с анализом объектов
окружающей среды (воздуха, вод и почв) – от стадии отбора про-
бы до обработки результатов анализа. Авторы стремились пока-
зать разнообразие и взаимосвязь используемых способов пробо-
отбора, пробоподготовки и инструментальных методов анализа.
С привлечением разнообразных источников – монографий, науч-
ных статей, нормативных документов – рассмотрены теоретичес-
кие основы и принципы выбора того или иного подхода в зависи-
мости от характера анализируемого объекта и природы опреде-
ляемых компонентов.

Первый раздел пособия посвящен особенностям различных

объектов окружающей среды: воздуха, воды, почвы. В нем описы-
ваются состав рассматриваемых объектов, источники их загряз-
нения, классификации типичных загрязнителей. Подробно охарак-
теризованы способы и приемы отбора проб загрязненного воздуха,
воды или почвы в зависимости как от типа загрязнителя, так и от осо-
бенностей анализируемого объекта. Рассмотрены методы консерва-
ции проб почвы и воды. Особое внимание уделено методам пробо-
подготовки, используемым при определении загрязнителей в соста-
ве объектов окружающей среды.

Во втором разделе пособия рассматриваются инструменталь-

ные методы анализа объектов окружающей среды: хроматографи-
ческие, оптические и электрохимические. Рассмотрены классифи-
кации методов, их преимущества и недостатки, а также особенно-
сти и возможности применительно к определению различного рода
загрязнителей в составе воздуха, воды и почв.

Авторы с благодарностью примут любые пожелания и замеча-

ния, направленные на улучшение содержания данного учебно-мето-
дического пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Воздух является неотъемлемой частью жизни и определяет

существование всего живого на земле. При дыхании мы наполня-
ем свои легкие воздухом, он окружает нас со всех сторон, все про-
странство занято им, он везде.

В настоящее время проблема качества атмосферы достигла

большой популярности и повышенного внимания всех, и это спра-
ведливо. Результаты многочисленных исследований дали понять,
что состав загрязнителей очень разнообразен, а их концентрации
находятся далеко за пределами допустимых норм. И, что самое глав-
ное, данная ситуация характерна как для открытых территорий
и площадок, так и для закрытых помещений, в которых каждый
из нас проводит большую часть своего времени.

Качество атмосферного воздуха больших городов определяет-

ся деятельностью многочисленных производственно-промышлен-
ных предприятий, объектов теплоэнергетики и, конечно, автотран-
спортом, на долю которого приходится порядка 80 % вредных вы-
бросов. В свете сложившейся экологической ситуации, наблюдаемой
в наши дни, только исследования, направленные на определение
количественной и качественной характеристики загрязнения атмо-
сферы, позволяют нам своевременно получать информацию о ее
состоянии, принимать решения, организовывать мероприятия по ми-
нимизации негативного воздействия и, в конце концов, дают пред-
метные ответы на все интересующие нас вопросы.

В процессе анализа воздуха, помимо выявления веществ, харак-

терных как для транспортного комплекса (оксид углерода (II), оксид
азота (II), оксид азота (IV), углеводороды), так и для промышлен-
ной сферы (сульфаты, сероводород, фтористый водород, хлор, хло-
ристый водород, цианистый водород, ртуть, углеводороды бензи-
новой фракции, тяжелые металлы), определяется экологическое
состояние объекта исследования, уровень его безопасности и эко-
логического благополучия.

Но экспертиза воздуха позволяет констатировать тот факт, что

загрязненная атмосфера – это лишь часть той среды, в которой мы
пребываем ежедневно. Воздушная среда закрытых помещений
не менее опасна. Она формируется за счет загрязнителей, попадающих 
с воздушной массой из-за окна и выделяющихся от внутренних 
источников.

Анализ воздуха в квартире, доме, офисе подтверждает существование 
данного фактора загрязнения. Число токсичных веществ, присутствующих 
в воздушной среде жилых и общественных помещений, 
колеблется от 45 до 80. Среди них такие, как фенол и формальдегид, 
аммиак и стирол, толуол, ксилол, ртуть, табачный дым
и многие другие. К основным внутренним источникам-загрязнителям 
относятся предметы интерьера, мебель, напольные и потолочные 
покрытия, строительные и отделочные материалы.

Экспертиза воздуха закрытого помещения (квартиры, офиса,

дома) проводится с целью выявления повышенной концентрации
вредных веществ, определения степени негативного влияния и выбора 
оптимально-соответствующей системы очистки.

Свежий воздух, свободный от опасных веществ и патогенных

микроорганизмов, делает наш организм здоровее и укрепляет иммунитет. 
Но, к сожалению, жизнь в мегаполисах и здоровая экология – 
понятия малосовместимые. Именно поэтому сегодня, как никогда, 
актуально такое исследование, как анализ воздуха на наличие 
вредных веществ.

Воды различного происхождения также являются важными

объектами окружающей среды. По мнению академика В. И. Вернадского, 
действительно природными (девственными) были только 
древние земные воды, существовавшие примерно 100 тыс. лет
назад. В последние же 10–20 тыс. лет все сильнее проявлялось
геохимическое воздействие человека на природу, особенно начиная 
с XIX в., когда интенсифицировалась хозяйственная деятельность 
человека. В результате во всей биосфере изменяются и исчезают 
старые виды природных вод и создаются новые «культурные» 
воды. Изменяется и характер загрязнения природных вод.
Все большее значение приобретают такие загрязняющие вещества,

как нефтепродукты, тяжелые металлы, биогенные вещества, сложные 
органические соединения (детергенты, пестициды и др.).

На химический состав «культурных» вод наибольшее влияние

оказывает сброс в водные объекты сточных вод коммунального
хозяйства, промышленных предприятий, а также сельского хозяйства. 
На современном этапе сельское хозяйство является одним
из наиболее крупных загрязнителей гидросферы в связи с выносом
в природные воды не только биогенных веществ, но и большого
количества токсичных веществ, и прежде всего пестицидов.

Загрязнение биосферы оказывает все большее влияние на процессы 
формирования водных экологических систем.

Почва – поверхностный слой литосферы Земли, обладающий

плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную 
открытую четырехфазную (твердая, жидкая, газообразная 
фазы и живые организмы) структурную систему, образовавшуюся 
в результате выветривания горных пород и жизнедеятельности
организмов.

Анализ почвы – совокупность операций, выполняемых с целью

определения состава, физико-механических, физико-химических,
химических, агрохимических и биологических свойств почвы.

Химическим анализом устанавливают химический состав и свойства 
почвы. Основные разделы его: валовой, или элементный, анализ 
позволяет выяснить общее содержание в почве С, N, Si, Al,
Fe, Ca, Mg, Р, S, K, Na, Mn, Ti и других элементов; анализ водной
вытяжки (основа исследования засоленных почв) дает представление 
о содержании в почве водорастворимых веществ (сульфатов,
хлоридов и карбонатов кальция, магния, натрия и др.); позволяет
определить поглотительную способность почвы; выявить обеспеченность 
почв питательными веществами; установить количество
легкорастворимых (подвижных), усваиваемых растениями соединений 
азота, фосфора, калия и др.; по данным анализа определяют
потребность полей в удобрениях. Большое внимание уделяют также 
изучению фракционного состава органических веществ почвы,
форм соединений основных почвенных компонентов, в том числе
микроэлементов.

ПРОБООТБОР  И  ПРОБОПОДГОТОВКА

ВОЗДУХ

Источники загрязнения атмосферы
Источники загрязнения атмосферы можно классифицировать

как по мощности выброса, так и по высоте, а также по температуре
отходящих газов. Мощными источникам загрязнения являются металлургические 
и химические предприятия, крупные тепловые электростанции (
ТЭЦ), предприятия строительной индустрии и другие
подобные производства. Мелкие источники загрязнения отличаются 
своей большой распространенностью. Это небольшие котельные, 
трубы печного отопления, предприятия пищевой промышленности 
и т. п. За счет большого количества такие источники могут
значительно загрязнять воздух. С точки зрения высоты выбросов вы-
деляют низкие источники, в которых выброс осуществляется ниже
50 м, а также высокие, производящие выбросы выше 50 м. Источ-
ники, выбрасывающие газовоздушную смесь с температурой выше
50 °С, называют нагретыми; при более низкой температуре выбро-
сы считаются холодными.

Наиболее распространенными вредными примесями, попа-

дающими в атмосферу из различных источников, являются оксид
серы (IV), пыль, оксид углерода (II), оксиды азота (II, IV). Большой
вред экологическому состоянию воздушной среды наносят ТЭЦ.
Тепловые электростанции выбрасывают большие количества со-
единений серы. При сжигании топлива в атмосферу поступает много
оксида углерода (II), оксидов азота и несгоревшие твердые веще-
ства в виде золы и сажи. Хлориды натрия и магния, оксиды желе-
за, соединения ванадия, никеля и кальция, ртуть и ряд других ве-
ществ могут попадать в воздушные массы в меньших количествах.
Ассортимент попадающих в воздушные массы загрязнений в значи-
тельной степени зависит от состава применяемого топлива. ТЭЦ,
потребляющая в сутки 5 тыс. т угля, выбрасывает в воздух за год

около 21 т соединений свинца. Для урбанизированных районов Ев-
ропы и Северной Америки концентрация свинца в атмосфере со-
ставляет 120–2700 нг/м3.

При сжигании газообразного топлива в основном выбрасыва-

ются оксиды азота. Если топливо сгорает при недостатке воздуха
или при охлаждении пламени горелки, происходит выброс углево-
дородов в атмосферу. При этом могут выделяться и ароматичес-
кие углеводороды, большая часть которых относится к канцероген-
ным веществам.

Существенным источником загрязнения атмосферного воздуха

являются различные виды транспорта: автомобильный, железно-
дорожный, морской, речной и авиационный. Выхлопные газы дви-
гателей внутреннего сгорания могут содержать оксид углерода (II),
оксиды азота, углеводороды (в том числе канцерогенные), альдеги-
ды и другие вещества. Бензиновые двигатели, особенно работаю-
щие на этилированном бензине, выделяют в атмосферу соедине-
ния свинца, хлора, брома, фосфора, дизельные двигатели – значи-
тельное количество сажи. Авиационные двигатели выбрасывают
в атмосферу оксид углерода (II), оксиды азота, альдегиды, углево-
дороды, оксиды серы и сажу.

Предприятия черной металлургии являются потенциальны-

ми источниками большого количества вредных веществ. В выб-
росах предприятий этой отрасли содержится пыль, оксид серы (IV),
оксид углерода (II), оксиды азота, сероводород, фенол, сероуглерод,
бенз(а)пирен и другие вредные вещества. Наибольшее количество
оксида серы (IV) содержится в выбросах энергетических установок
и предприятий по производству чугуна. Источником попадания
полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в воздуш-
ные массы является коксохимическое производство, обычно сопро-
вождающее крупные предприятия черной металлургии.

Предприятия цветной металлургии являются источниками по-

падания в атмосферу оксида серы (IV), оксида углерода (II) и пыли,
оксидов различных металлов (особенно свинца, меди, никеля). Про-
изводство алюминия электролизным методом сопровождается вы-
бросами в атмосферу фтороводорода и его производных и оксида
углерода (II).