Актуальность работы.
Воздух является важнейшим компонентом окружающей среды, оказывающим наиболее сильное влияние на здоровье населения и состояние живой природы. Чистота воздуха и методы ее контроля регламентируются стандартами промышленно развитых стран, а также международными стандартами и соглашениями.
Российская Федерация активно участвует в разработке и принятии нормативных документов, регламентирующих качество воздуха. Нормирование контролируемых параметров воздушных сред в России организованно по трем номинациям:
• воздух атмосферный;
• воздух рабочих зон;
• газовые организованные источники.
В последнюю номинацию включены газовые выбросы всех видов моторных транспортных средств. Приоритетными экозагрязнителями воздуха и газовых выбросов помимо оксидов углерода являются: СЬF2- НС1- HFN02- N204- S02- Р205- HN03- H2S04- H3P04- NH3- NaOHKOHNH4OH.
Измерение концентраций этих веществ традиционно проводится с помощью автоматических газоанализаторов, которые в некоторых простых случаях конструируются в виде многоканальных приборов. Например, приборы для контроля выбросов автотранспорта. Экологический контроль на основе широкой номенклатуры газоанализаторов с учетом необходимости их периодических поверок (2 раза в год) является делом весьма трудоемким и дорогостоящим, т.к. как правило, в воздухе реальных объектов одновременно присутствуют практически все из вышеперечисленных веществ. 4.
В связи с этим организация контроля воздуха рабочих зон и организованных источников выбросов крупных промышленных предприятий сопряжена с большими трудностями.
В то же время методологическая проблема контроля этих веществ при одновременном их присутствии в растворах в ионной форме была успешно решена в 90-е года на основе ионной хроматографии [1,2].
Целью данной диссертационной работы является попытка решить задачу определения вышеперечисленных экозагрязнителей в воздушных средах при их одновременном присутствии с помощью одного приборапереносного ионного хроматографа. Результаты удачного завершения этой работы были вполне предсказуемы: достижение более высоких экоаналитических и метрологических показателей при существенном сокращении затрат и уменьшении трудоемкости экологического контроля. Более того, ионная хроматография является узаконенным в России методом контроля катионо — анионного состава водных сред, поэтому ионные хроматографы имеются практически во всех экоаналитических лабораториях.
В аспекте вышеизложенного представленную работу следует считать достаточно актуальной. 5.
Научная новизна.
Общая методология ионохроматографического анализа водных сред с целью установления их катионо-анионного состава и количественных определений была разработаны в 90-х годах Ю. А. Золотовым, О. А. Шпигуном, Я. И. Яшиным [1,2,3] и др. Центральной идеей данной диссертационной работы является развитие этого научного базиса для создания методов и средств ионохроматографического анализа воздушных сред. Для реализации этой идеи было необходимо провести ряд исследований результаты, которых являются элементами научной новизны. Конкретно:
1. Предложено уравнение зависимости степени поглощения определяемых веществ из пузырьков воздуха водным раствором от объемной скорости и времени контакта, диаметра и длины поглотителя, а также от рН-раствора.
Экспериментально показано, что теоретическая модель Хигби [ 4 ] дает достаточно точные результаты только для газов с высокой степенью растворимости: НС1, HF, NH3 и др.
2. На основе теоретических и экспериментальных исследований создано устройство пробопреобразования для количественного перевода определяемых веществ в ионную форму.
3. Предложены и апробированы рецептуры поглощающих растворов для определения NH3- NaOHКОНNH4OH со значением рН в диапазоне 5−6.
4. Предложены и апробированы рецептуры поглощающих растворов для определения Cl2- F2- НС1- HFN02- N204- S02- P205- HN03- H2S04- H3PO4 со значениями рН в диапазоне 8−9. 6.
5. Предложена и апробирована методика анализа проб воздуха при высоком влагосодержании.
6. Предложена методика установления исходных форм экозагрязнителей-галогенов по результатам ионохроматографического анализа.
7. Предложена и метрологически аттестована методика определения NH3- NaOHКОНNH4OHCl2- F2- НС1- HFN02- N204- S02- P205- HN03- H2S04- H3P04 в газовых средах при их совместном присутствии, реализуемая на ионохроматографическом комплексе. 7.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов количественного перевода газообразных экозагрязнителей: Cl2- F2- НС1- HFN02- N204- S02- P205- HN03- H2S04- H3P04- NH3- NaOHKOHNFLiOHв ионную форму при их взаимодействии с кислыми и основными жидкими поглотителями и ионохроматографическими элюентами.
2. Результаты реализации данных п. 1 в виде конструктива ионохроматографического пробопреобразования с исследованием экоаналитических и метрологических характеристик.
3. Результаты разработки методики ионохроматографического определения экозагрязнителей по п. 1 при их совместном присутствии в газовой фазе. Исследование метрологических характеристик МВИ.
4. Результаты создания и исследования метрологических характеристик компьютеризованного комплекса «ИНЛАН-ИХ» для контроля экозагрязнителей по п. 1 в атмосферном воздухе, воздухе рабочих зон и газовых выбросах организованных источников. 8.
Практическая значимость.
1. Разработана, метрологически аттестована и внесена в Государственный реестр ПНД Ф Методика выполнения измерений массовых концентраций диоксида азота и азотной кислоты (суммарно), оксида азота, триоксида серы и серной кислоты (суммарно), диоксида серы, хлороводорода, фтороводорода, ортофосфорной кислоты и аммиака в пробах промышленных выбросов, атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны методом ионной хроматографии.
2. Разработан и государственно аттестован многоцелевой компьютеризованный ионохроматографический комплекс «ИНЛАН-ИХ», реализующий МВИ по п. 1.
3. Изделие «ИНЛАН-ИХ» решением МНР России включено в состав типовых стационарных и мобильных экоаналитических лабораторий и без замечаний эксплуатируется в Московской, Калужской, Курганской, Нижегородской и др. областях, а также на крупных промышленных предприятиях типа АМО «ЗИЛ» (г. Москва), Космодром «Плесецк» и др. 9.
Выводы.
1. На основе математической модели Хигби с учетом формулы Геддеса выведено уравнение зависимости полноты поглощения определяемых компонентов в системе «газ-жидкость» от совокупности конструктивных (диаметр и длина пробопреобразователя) и технологических (объем отбираемого газа, объемная скорость, время продувки рН-поглотительного раствора) параметров.
2. Проведены экспериментальные исследования макетов пробопреобразователей, которые показали несовершенство модели Хигби по отношению к относительно слабо воднорастворимым газам: N02 и S02. Результаты экспериментальных исследований позволили определить оптимальные конструктивные и технологические параметры процесса пробопреобразования газ-жидкость. Таковыми являются: длина и диаметр змеевика соответственно 8 и 1500 мм, объемная скорость в диапазоне 3−5 см3/сек, объем воздушной пробы соответствующей ПДК воздуха рабочей зоны 10−20 дм3.
3. Рассчитаны и экспериментально подтверждены параметры сверхкритического движения газовой фазы соответствуют перепаду давления на соплах вакуум-насоса 0,7 кг/см3, которые обеспечивают предел дополнительной погрешности объемной скорости от внешних условий на уровне 3−4%.
4. Разработана методика выполнения измерений массовых концентраций диоксида азота и азотной кислоты (суммарно) — оксида азота, триоксида серы и серной кислоты (суммарно) — диоксида серы, хлороводорода, фтороводорода, отрофосфорной кислоты и аммиака в пробах промышленных выбросов, атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны методом ионной хроматографии и исследованы метрологические характеристики ионохроматографического контроля воздуха на содержание.
134 вышеуказанных компонентов. Максимальная погрешность не превышает ±13%, при допустимой по НТД — ±25%.
5. Разработан ионохроматографический комплекс контроля воздуха и организованных газовых выбросов. Проведены натурные испытания и опытная эксплуатация в составе комплекса «ИНЛАН-ИХ» .
6. По результатам опытной эксплуатации разработано техно-экономическое обоснование конкурентоспособности ионохроматографического контроля воздуха и организованных промышленных выбросов.
7. Ионохроматографические комплексы для контроля воздушных сред и организованных промышленных выбросов выпускаются серийно предприятиями ОАО НПО «Химавтоматика» .
