Методические указания по выполнению практических/лабораторных работ для студентов по специальности 050731 «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» очного и заочного форм обучения
| Вид материала | Методические указания |
- Методические указания к выполнению практических занятий по курсу "Мониторинг и контроль, 263.92kb.
- Богданова Эмма Васильевна Гронь Вера Александровна Максименко Людмила Семеновна Степанов, 554.03kb.
- И. И. Ползунова Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» Гергерт В. Р., Стуров, 299.13kb.
- Методические указания по выполнению курсовых работ для студентов очного и заочного, 372.65kb.
- Программа и методические указания к выполнению курсовой работы и контрольных работ, 146.23kb.
- Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов, обучающихся, 99.32kb.
- Методические указания по выполнению курсовых работ для студентов заочной форм обучения, 117.01kb.
- Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «вычислительная техника, 640.55kb.
- Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине информатика для, 1065.17kb.
- Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей, 619.38kb.
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
Архитектурно-строительный факультет
Кафедра технологии продовольственных продуктов
и защиты окружающей среды
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЙ
Методические указания по выполнению практических/лабораторных работ для студентов по специальности 050731 – « Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» очного и заочного
форм обучения
Павлодар
Кереку
2008
УДК 504.064(07)
ББК 20.1я7
М 54
Рекомендовано к изданию заседанием кафедры ТППиЗОС ПГУ им. С. Торайгырова
Рецензент:
Саканов К. Т. – кандидат технических наук, профессор ПГУ
М 54 Методы и средства контроля и измерений: методические указания по выполнению практических/лабораторных работ для студентов по специальности 050731 – «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» очного и заочного форм обучения /сост. Б. З. Омарова, С.Н. Ефремова. – Павлодар: Кереку, 2008. – 54 с.
В МУ рассматриваются вопросы по изучению методов и средств контроля и измерения, основной задачей конспекта является формирование определенных практических навыков и умений, необходимых будущему специалисту, обеспечения безопасной деятельности и защиты окружающей среды, для работы в структурах различных отраслей, производства, промышленно-санитарных лабораториях, санитарно-экологических службах и т.д.
Методическое указание предназначено для студентов специальности «БЖД и ЗОС» всех форм обучения
Методическое указание рекомендуется студентам высших учебных заведений и для широкого круга читателей.
УДК 504 064(07)
ББК 20 1я7
© Б.З. Омарова, С.Н.Ефремова, 2008
©Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, 2008
Введение
Широкое понятие инженерной экологии включает в себя определение путей решения многочисленных и разноплановых проблем. Инструментами этой науки являются экологические приборы и методы измерения: чем они современнее и точнее, тем более доступную информацию об экологическом состоянии природной среды они дают; без приборов немыслим экологический мониторинг – контроль за состоянием окружающей среды в пространстве и во времени.
В настоящее время большое внимание уделяется экологическому образованию студентов. В частности, с открытием новой специальности 050731 - «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» весьма остро стоит проблема методического обеспечения литературой по дисциплине «Методы и средства контроля окружающей среды». В силу того, что данный курс охватывает широкий круг вопросов различных дисциплин (аналитическая химия, санитария и гигиена, токсикология, экология и др.), необходимо выбрать и осветить теоретические основы курса, ознакомить студентов с содержанием исследований количеств вредных веществ в различных объектах окружающей среды, а также с широко используемыми в практике методами лабораторных и инструментальных исследований.
Курс «Методы и средства контроля окружающей среды» является важным звеном в подготовке будущих инженеров-экологов. В предлагаемом опорном конспекте лекций рассматривается комплекс современных методов и средств контроля окружающей среды, который применяется в практике для оценки экологической ситуации объекта
Объективная оценка окружающей человека среды, определение зависимости состояния здоровья населения от влияния этой среды невозможны без использования лабораторных и инструментальных методов. Будущие экологи должны в совершенстве овладеть этими методами и уметь практически осуществлять отбор материалов и проведение исследований в отношении факторов, оказывающих влияние на окружающую среду и здоровье человека, а также знать назначение, устройство, принцип работы и условия эксплуатации приборов и аппаратуры контроля качества природной среды.
Цель курса - сформировать понятие о различных методах исследования состояния природной среды, об общей теории и средствах инструментальных измерений, об отборе проб и анализе загрязняющих веществ в объектах окружающей среды.
Задача курса: изучение методов и средств контроля загрязнений окружающей среды, сущность отбора проб, подготовку образца к анализу и проведение анализа, ознакомление с методиками и методами анализа загрязняющих веществ в окружающей среде, устройствами и основными разновидностями конструкций газоанализаторов, пробоотборников и пр.
Кроме того, студенты должны ознакомиться в лабораторных условиях с работой современной базы технических средств контроля качества природной среды при проведении исследований проб на содержание в них вредных и потенциально-токсичных элементов.
Основной задачей конспекта является формирование определенных практических навыков - и умений, необходимых будущему инженеру-экологу, чтобы, например, во время практики, он смог работать в качестве лаборанта в промышленно-санитарных лабораториях, санитарно-экологических службах на промышленных предприятиях, в подразделениях Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды и других организациях по профилю специальности.
1 Методы и приборы измерения и контроля загрязняющих веществ
Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных – объектов окружающей среды (воздуха, воды, почвы) необходимо располагать надежными методами анализа.
Эффективность любого метода оценивается совокупностью таких показателей, как селективность и точность определения, воспроизводимость получаемых результатов, чувствительность определения, пределы обнаружения элемента и экспрессность выполнения анализа. Кроме того, методы должны обеспечивать проведение анализа в широком интервале элементов (включая следовые). Это должно учитываться при выборе методов и средств наблюдений.
Содержание загрязняющих веществ в объектах окружающей среды определяется различными методами: фотометрическим, полярографическим, хроматографическим и др.
К настоящему времени разработано большое количество разнообразных приборов контроля состояния окружающей среды. Для ориентирования в этой области и реализации знаний, умений и навыков, целесообразно классифицировать эти приборы. Ниже приведены описания наиболее употребляемых в практике экологических приборов [1].
Классификация приведена по следующим признакам:
1) по видам исследуемой среды:
- приборы для измерения концентраций вредных примесей в атмосфере (газоанализаторы различного типа, хроматографы, масс-спектрометры);
- приборы для определения качества воды (фотоэлектроколориметры, ионометры, рефрактометры);
- приборы для исследования состояния почвы и твердых веществ (спектрометры, флуориметры, радиометры);
2) по методам получения информации:
а) химические;
б) физико-химические:
- оптические (спектрофотометры, фотоэлектроколориметры, нефелометры, рефрактометры, флуориметры);
- электрохимические (ионометры, кондуктометры, полярографы);
- хроматографические (жидкостные и газовые хроматографы и различные хроматографические колонки);
в) физические:
- радиометры и дозиметры;
- масс-спектрографы;
- шумомеры;
3) по условиям применения:
- стационарные приборы (для атомного и молекулярного спектрального анализа, хроматографы);
- переносные приборы экологического контроля (чаще всего они называются приборами экспресс-анализа и используются, в частности, в передвижных экологических лабораториях);
- промышленные.
2 Исследование воздуха
Одним из важнейших объектов окружающей среды является атмосферный воздух. Устойчивость биосферы зависит от его чистоты. Загрязнение воздуха отрицательно влияет на растения, животных, людей, строения, оборудование и различные материалы.
В качестве наиболее распространенных и опасных были выявлены восемь категорий загрязнителей: 1 - взвешенные вещества, они могут переносить другие загрязнители, растворенные в них или адсорбированные на поверхности частиц; 2 - углеводороды и другие летучие органические соединения; 3 - угарный газ (СО); 4 - оксиды азота (МОх); 5 - оксиды серы, в основном диоксид (ЗО2); 6 - свинец и другие тяжелые металлы; 7 - озон и другие фотохимические окислители; 8 - кислоты, в основном серная и азотная.
Особую значимость при выполнении природоохранных мер приобретает контроль объектов окружающей среды и в первую очередь производственного и атмосферного воздуха. Для обеспечения контроля воздуха необходимо располагать высокочувствительными, точными и надежными методами, позволяющими избирательно определять микроколичества вредных веществ в присутствии множества сопутствующих соединений [10].
Одной из главных задач анализа воздуха является получение информации о качественном и количественном составе анализируемого воздуха, необходимой для прогнозирования степени загрязнения воздуха и выполнения мероприятий по охране окружающей среды.
Контроль за состоянием атмосферного воздуха включает в себя: изучение источников загрязнения, исследование химических и фотохимических превращений загрязняющих воздух веществ, выявление наиболее токсичных веществ, изучение распространения загрязнителей с воздушными потоками, отбор проб и анализ загрязнителей [2].
Контроль необходим:
- для оценки уровня загрязнения окружающей среды;
- для разработки мероприятий, направленных на защиту окружающей среды;
- для разработки и подбора газоочистного оборудования;
- для оценки эффективности работы газоочистного оборудования;
- для разработки нормативной экологической документации (ПДВ, ПДС, экологического паспорта и др.).
Надежность контроля за загрязнением наряду с рассмотренными выше факторами зависит от способа отбора проб. При анализе воздуха процесс отбора пробы является более трудоемким и ответственным, чем при исследовании других природных сред. Это связано с тем, что концентрирование определенных загрязняющих веществ обязательно происходит в процессе отбора пробы. В зависимости от предполагаемого загрязнения воздуха отбор проб может производиться с концентрированием или без него. В последнем случае пробы отбирают в стеклянные шприцы, газовые пипетки, полиэтиленовые мешки и др. Погрешности при этом возникают из-за нарушения герметичности пробоотборных устройств, из-за сорбции микропримесей веществ внутренней поверхностью пробоотборников. Погрешности значительно устраняются многократным «промыванием» пробоотборных емкостей исследуемым воздухом, а также определением допустимых сроков и условий хранения проб.
При концентрировании микропримесей из воздуха насчитывается значительно больше факторов, способных стать причинами погрешностей, чем при концентрировании из других сред.
3 Требования, предъявляемые к методам анализа воздуха.
1) метод должен обеспечивать определение вредного вещества на уровне 0,8 ПДК (макс. раз.);
2) максимальная суммарная погрешность при определении вредного вещества в воздухе не должна превышать ±25% во всем диапазоне измерений;
3.) метод должен обеспечивать измерение концентраций с заданной точностью в интервале 0,8 ПДК-10 ПДК;
4) метод должен обеспечивать эффективность поглощаемого вещества не менее 95%,
5) все части системы отбора проб должны быть инертны по отношению к исследуемому компоненту,
6) температура системы отбора проб должна, поддерживаться на уровне, исключающем конденсацию паров или взаимодействие компонентов исследуемой газовой смеси друг с другом;
7) объем пробы должен быть точно измеренным и достаточным для обеспечения требуемой точности измерения.
4 Отбор проб воздуха
Исследование воздуха с целью выявления содержания в нем токсичных веществ является одной из труднейших задач аналитической химии. Это связано с тем, что, во-первых, воздух представляет собой неустойчивую фазу и, во-вторых, в одной пробе может одновременно находиться большое число различных токсичных и нетоксичных веществ.
Исследование воздуха включает в себя два этапа - отбор проб и их анализ [4].
Наличие сравнительно малых количеств (миллиграммы и доли миллиграммов в одном кубическом метре воздуха) веществ в воздухе и их различное агрегатное состояние предъявляют особые требования к отбору проб воздуха.
Отбор проб исследуемого воздуха - важнейшая часть работы, поскольку результат самого точного анализа теряет смысл в случае неправильно отобранной пробы.
К процессу отбора проб предъявляются следующие требования:
1) получение пробы, соответствующей реальному составу воздуха;
2) накопление в пробе достаточного для обнаружения количества искомого вещества.
Способы отбора проб воздуха зависят от ряда причин:
1) агрегатного состояния искомого вещества в воздушной среде (аэрозоли конденсации и дезинтеграции, пары, газы);
2) возможных химических взаимодействий искомых веществ с воздушной средой;
3) числа исследуемых вредных веществ в воздухе;
4) метода исследования и др.
Когда требуется определить максимальную концентрацию токсичного вещества, поступившую в воздух за короткий промежуток времени, и соответствие ее предельно допустимой концентрации (ПДК), рекомендуется минимальная продолжительность отбора, не превышающая 15-30 мин. Во избежание усреднения концентрации отбирают максимальную разовую пробу (МРП). Отобранного количества воздуха должно быть достаточно для определения в нем искомого вещества в концентрациях, равных 0,5 ПДК для воздуха рабочей зоны и 0,8 ПДК для атмосферного воздуха.
Изучение состояния воздушной среды и содержания в ней вредных веществ следует осуществлять с учетом ее подвижности (динамики). Согласно требованиям ГОСТ 12.1.005-88 это достигается путем последовательного отбора не менее 5 проб в одном месте. Места (точки) и уровни отбора, т.е. расстояние от пола (обычно 1,5-2м). Это – рабочее место (в зоне дыхания), проходы в цехах, места наиболее частого пребывания рабочих и т.д.
В зависимости от поставленной задачи отбор проб воздуха рабочей зоны может производиться либо в продолжение технологического процесса (операции), либо в течение всей рабочей смены [4]. В этих случаях необходимо проводить отбор серии последовательных проб на протяжении всей смены с помощью непрерывно действующих анализаторов или миниатюрных аспирационных устройств, прикрепляемых к спецодежде на груди рабочего.
Многообразие вредных веществ и агрегатных состояний в воздухе обусловливает использование различных поглотительных систем, обеспечивающих эффективное поглощение примеси: отбор проб в жидкие среды; отбор проб на твердые сорбенты; хемосорбцию, отбор проб в охлаждаемые ловушки; отбор проб в сосуды ограниченной вместимости; отбор проб на фильтры [11].
Отбор проб атмосферного воздуха населенных мест производится на стационарных и маршрутных постах и под факелом. Стационарные и маршрутные посты размещаются в местах, выбранных на основе предварительного исследования загрязнения воздушной среды города промышленными выбросами, автотранспорта и других источников.
Места отбора проб подфакельных наблюдений выбирают на разных расстояниях от источника загрязнения по направлению ветра. Продолжительность отбора разовых проб составляет 20-30 мин. Отбор среднесуточных проб производят либо непрерывно в течение суток, либо 12, 6, 4 раза в данной точке за сутки через равные промежутки через равные промежутки времени в течение 20-30 мин каждая. После выполнения исследований вычисляют среднюю концентрацию в этих пробах. Одновременно с отбором проб воздуха определяют направление и скорость ветра, температуру и влажность воздуха, состояние погоды.
При проведении лабораторных исследований воздуха используются различные методы отбора проб. Наиболее распространенными являются аспирационный метод и метод отбора проб в сосуды.
5 Оборудование, применяемое при отборе проб воздуха
Аспирационный метод. Основу аспирационного метода составляет аспирация, т.е. протягивание исследуемого воздуха через специальные вещества, способные поглощать из проходящего воздуха подлежащий определению ингредиент. Такие вещества называются поглотительными средами [4].
Выбор поглотительной среды зависят от агрегатного состояния искомого вещества и его химических свойств. В качестве поглотительной среды могут служить растворы, твердые сорбенты, фильтры.
Для поглощения вещества, находящегося в воздухе в газообразном (парообразном) состоянии, используются жидкие поглотительные среды - поглотительные растворы. Однако могут быть использованы и твердые сорбенты (силикагель, уголь активированный), которые для отбора проб при низких температурах используют в виде «кипящего слоя»
Аэрозоли конденсации и дезинтеграции (пыли, туманы, дымы) задерживаются различными фильтрующими материалами - бумажными, стеклянными, перхлорвиниловыми и др. Для аспирации (протягивания) воздуха используются различные аспирационные устройства (водяные аспираторы, пылесосы, электроаспираторы и пр.).
Электроаспиратор. Электроаспиратор (рисунок 1) позволяет проводить отбор одновременно по четырем каналам с регулировкой скорости отбора в каждом канале (два со скоростью 0,1-1 дм /мин и два со скоростью 1-20 дм3/мин). На шасси прибора укреплены электрический двигатель. Воздуходувка ротационного типа, которая шлангами соединена с ротаметрами
Перед включением прибора в сеть его необходимо заземлить.
1 - колодка для присоединения к прибору электрического шнура; 2 - тумблер для включения и выключения прибора; 3 - гнездо предохранителя; 4 - предохранительный клапан для предотвращения перегрузки электродвигателя при отборе проб воздуха с малыми скоростями и облегчения запуска прибора; 5 - ручки вентилей ротаметров; 6 - ротаметры; 7 -штуцеры для присоединения резиновых трубок; 8 - клемма для заземления.
Рисунок 1 - Электроаспиратор (модель 822) переносной с ручным способом регулирования расхода воздуха
После подключения прибора к сети открывают вентили ротаметров. Тумблером включают электродвигатель. При этом загорается лампочка шкалы, и поплавки в ротаметрах током воздуха поднимаются, показывая скорость его движения. Вращением ручек вентилей ротаметров устанавливают необходимую скорость аспирации воздуха. Отсчет скорости движения воздуха производят по верхнему краю поплавка. После этого присоединяют к штуцерам поглотительные приборы и снова устанавливают необходимую скорость аспирации.
Расходомерные устройства. Реометры служат для определения скорости аспирации. Они бывают жидкостные и сухие, последние называются ротаметрами или пневмометрами.
Жидкостный реометр (рисунок 2) представляет собой U - образную трубку с двумя расширениями
В левой части трубки реометра расширение расположено внизу, а в правой — вверху. Верхние концы обоих колен спаяны горизонтальной трубкой с перегородкой в середине, имеющей узкое отверстие (диафрагму). U - образную трубку заполняют окрашенной жидкостью (обычно керосином) до метки «0» на шкале. Воздух, проходя (слева) по горизонтальной трубке, встречает препятствие в виде диафрагмы, в результате чего в левом колене трубки создается повышенное давление и уровень жидкости понижается, а в правом - повышается. С изменением скорости движения воздуха меняется разность уровней в обоих коленах. Реометр прикрепляют к штативу со шкалой, на которой имеется калибровка, показывающая скорость движения воздуха в кубических дециметрах за минуту (дм3/мин).
Рисунок 2 – Жидкостный реометр
Сухие реометры (пневмометры) представляют собой стеклянную трубку с отводами в верхней и нижней частях. В трубку помещен поплавок, который поднимается потоком воздуха (электроаспиратор). Шкала реометра градуирована в кубических дециметрах в минуту.
Поглотительные приборы. Для улавливания веществ, находящихся в воздухе в виде паров и газов, применяются стеклянные сосуды различной конструкции, например, поглотители с пористой пластинкой, Зайцева, Рихтера, Петри и др. (рисунки 3 - б). Они представляют собой стеклянные цилиндры, в верхнюю расширенную часть которых впаяны две стеклянные трубки. Конец одной из них доходит почти до дна и заканчивается иногда полым шариком с несколькими отверстиями. Верхний конец этой трубки загнут под прямым углом. Вторая, короткая, трубка, тоже изогнутая под прямым углом, впаяна в верхнюю расширенную часть поглотителя и служит для выхода воздуха из него. За счет сужения нижней части прибора повышается высота столба налитой в прибор жидкости (поглотительного раствора), что обеспечивает максимальный контакт исследуемого воздуха (который входит в прибор через длинную трубку) с поглотительным раствором при соблюдении необходимой в каждом конкретном случае скорости аспирации.
а) поглотитель с пористой пластинкой
б) поглотитель Зайцева
Рисунок 3
В поглотительных приборах с пористой пластинкой в нижнюю часть поглотителя впаяна стеклянная пористая пластинка, проходя через которую воздух разбивается на тонкие струи, что увеличивает его соприкосновение с поглотительным раствором. Верхняя, расширенная часть поглотителя за счет уменьшения скорости движения воздуха предупреждает выброс жидкости при больших скоростях аспирации. Поглотительный раствор вводят в поглотитель через длинную трубку, а выводят через короткую.
В качестве поглотительного раствора могут быть использованы дистиллированная вода или специальные растворы, вступая в контакт с которыми содержащиеся в воздухе токсичные вещества растворяются в них или взаимодействуют с ними с образованием новых веществ. Применяются также различные твердые хемосорбенты, силикогель, активированный уголь и другие, позволяющие увеличивать скорость аспирации до 30 дм3/мин. Поглотительные приборы при этом имеют другую конструкцию (например, прибор Яворовской). В них твердые сорбенты могут находиться в неподвижном состоянии или током воздуха приводятся в движение, образуя «кипящий слой», что способствует их большему контакту с исследуемым воздухом и улучшению поглощения сорбентом искомого вещества.
Рисунок 4 - Поглотитель Полежаева