4. Засоби вимірювальної техніки, призначені для вимірювання вмісту важких металів і радіонуклідів

Контролювання вмісту важких металів і радіонуклідів у об'єктах довкілля необхідне при моніторингу атмосферного повітря, водних об'єктів, ґрунтів, продукції рослинництва та тваринництва, особливо з огляду на те, що з розвитком промисловості усі об'єкти екосистеми усе більше забруднюються. Важкі метали і радіонукліди є токсичними, включаються у трофічні ланцюги живлення, мають здатність до накопичення.

Натепер на практиці широко використовуються такі прилади, як «Спектоскан», «Квант—АФА», «Квант— Z.9TA», «ИВА—400МК», «ТА—І» таін.

«Спектроскан» — це рентгено-флуоресцентний спектрометр, призначений для вимірювання вмісту токсичних елементів (починаючи з фонових значень) миш'яку, свинцю, селену, нікелю, ртуті та інших в ґрунтах, осаді вод, рослинах, органічних добривах, питній воді, продуктах харчування та інших об'єктах. Він працює на основі методики рентгено-флуоресцентного аналізу і має такі особливості: можливість роботи як в автономному режимі, так і з ПЕОМ; наявність програмного забезпечення для обробки результатів вимірів, використання методик вимірів, адаптованих до вимог природоохоронних органів. Оператори, які працюють зі «Спектросканом», повинні дотримуватися вимог техніки безпеки, щоб уникнути можливого опромінення. Основні характеристики «Спектроскану» є такими: час одного виміру від 2 до 15 хв., використовувані зразки можуть бути твердими, рідкими, у вигляді порошку; відносна похибка вимірів (при концентруванні проб) у діапазоні 0,3—30 мкг/мм² становить не більше 30%.

На основі принципу атомно-абсорбційної спектрометрії працюють прилади «Квант—АФА» і «Квант—Z.9TA». У «Квант—АФА» використовують три методики аналізу: атомно-емісійну; атомно-абсорбційну; атомно-флуоресцентну. Методики аналізу, реалізовані у приладі, дають змогу контролювати до 70 елементів періодичної таблиці Менделєєва з чутливістю від 10"⁴ до 50 мг/л. «Квант—Z.3TA» має такі переваги: високу чутливість при контролюванні металів у рідких пробах; комп'ютерне управління приладом і обробленням результатів; високу точність і відтворювальність результатів; автоматичну компенсацію спектральних перешкод. Визначення вмісту токсичних елементів у різних пробах можна здійснювати відповідно до рекомендацій ISO. «Кпант—Z.3TA» має такі основні характеристики: темпера­тура нагрівання атомізатора від 50 до 3000°С; об'єм проби 0,5—2 мкл; діапазон (спектральна характеристика) 190— К00 нм; піддаються програмуванню такі параметри: температура атомізатора, швидкість зростання температури, час иитримування температури; час одного заміру — 1 хв. Програмне забезпечення побудоване за діалоговим принципом, дає змогу реєструвати весь процес динаміки випаровування проби і спостерігати за зміною сигналів, які відповідають сумарному та атомному поглинанню.

За принципом інверсійної вольтамперометрії працю­ють комп'ютеризований полярографічний комплекс «ИВА—400 МК» та аналізатор вольтамперометричний з УФ-опроміненням проб «ТА—1».

За допомогою «ТА—1» контролюють вміст важких металів у харчових і сільськогосподарських продуктах, воді, ґрунті, біологічних об'єктах, лікарських препаратах, при проведенні сертифікації та екологічного моніторингу. Його технічні характеристики є такими: кількість одночасно вимірюваних проб — 3; час виміру 3-х проб від 5 до ЗО хв.; наважка проби — 0,1—5 г. Висока чутливість у поєднанні із задовільною точністю і селективністю реалізо­вана у компактному приладі. Аналізатор «ТА—І» обладна­ний системою вібрації електродів, що підвищує чутливість і надійність за рахунок ефективного концентрування й електрохімічної регенерації робочої поверхні електрода. При аналізі води не потрібна пробопідготовка (вплив кисню у пробі ліквідується УФ-опроміненням). Усі режими роботи та управління забезпечуються IBM-сумісною ПЕОМ.

Засоби вимірювальної техніки рідинної хроматографії. Такі прилади, основою дії яких є принцип рідинної хроматографії, мають істотні переваги: точність, чутливість і селективність. До ЗВТ рідинної хроматографії нале­жать хроматографи рідинні «Цвет—403» та «Цвет—404»; хроматограф йонний «Цвет—3006М»; хроматограф рідинний «Цвет—3110», рідинна хроматографічна система «Стайлер», детектор спектрофотометричний СПФ—1 та ін.

Хроматограф рідинний «Цвет—403» (портативний двоканальний) визначає аніони і катіони лужних, лужноземельних та перехідних металів, а також органічних і неорганічних сполук, які поглинають в УФ-частині спектра, в об'єктах навколишнього середовища, при екологічному контролі, аналізі біологічних об'єктів, сертифікації продуктів і промислової сировини. Перевагами хроматографа «Цвет— 403» є висока селективність, робота від автономного джерела живлення, малі габарити, вага, електроспоживання, вихід на ПЕОМ IBM PC через RS 232, використання інертних матеріалів та ін.

За допомогою хроматографа рідинного «Цвет—404» з електрохімічним детектором проводять якісні та кількісні аналізи домішок фенолів і аміносполук при екологічному контролі, аналізі пестицидів у сільському госпо­дарстві, харчовій промисловості, сертифікації продукції і т. д. Висока чутливість і селективність приладу дають змогу аналізувати феноли на рівні ГДК без попереднього концентрування. Для хроматографа характерний вихід на ПЕОМ IBM PC через RS 232 та оброблення даних на вмонтованій ЕОМ.

Хроматограф іонний «Цвет—3006М» рідинний визначає аніони і катіони у водних розчинах органічних та неорганічних сполук при контролюванні повітря на вміст аерозолей і кислих газів; води й біологічних рідин — на вміст іонів; ґрунтів і добрив — на вміст калію, амонію, фосфатів, нітратів; а також; при сертифікації продуктів, промислової сировини та ін. Для приладу розроблені та атестовані методики: аналізу атмосферного повітря на вміст кислих газів (НС1, N0₂, S0₂); аналізу поверхневої, питної, стічної води на вміст аніонів (фторидів, хлоридів, фосфатів, нітратів, сульфатів); аналізу проб м'яса і м'ясних продуктів на вміст нітритів; одночасного аналізу аніонного та катіонного складу з використанням двох систем дозування (ручної і автоматичної), двох насосів та двох систем колонок і т. д.

Детектор спектрометричний для рідинної хроматографії СПФ—1 призначений для контролювання забруднень харчових продуктів і довкілля фенолом та його похідними (хлорпохідними, аніліном і його похідними, фталатами, важкими металами у вигляді комплексів) і багатьма іншими шкідливими речовинами. Конструктивно детектор складається з трьох блоків: спектрофотометра, підсилювача, блоку живлення освітлювача. Найбільший ефект дає використання детектора разом з іонним хроматографом «Цвет—3006». При цьому створюється хроматографічний комплекс з такими можливостями: іонний хроматограф з послідовно включеними кондукто-метричним і спектрофотометричним детекторами; молекулярний рідинний хроматограф із спектрофотометричним детектором; два паралельні хроматографи — іонний і рідинний.

Хроматограф рідинний «Цвет—3110» якісно та кількісно аналізує вміст сполук, які поглинають випромінювання з довжиною хвилі 325 нм — поліядерних ароматичних сполук (у т. ч. бенз(а)пірену), білків, амінокислот, вітамінів та інших речовин у виробництві, екологічному контролі, сертифікації продукції і т. д.

Висока чутливість і селективність приладу дають змогу проводити аналіз поліядерних ароматичних вуглеводнів (ПАВ), зокрема сильного канцерогена бенз(а)пірену. Високоефективн

а рідинна хроматографія допомагає відрізняти бенз(а)пірен від його неканцерогенного ізомеру бенз(е)пірену.

Оптичні прилади. Використання оптичних ЗВТ зумовлене їх відносною дешевизною, простотою аналізу, мінімальним набором необхідних операцій при підготовці проб до аналізу. Сучасними зразками оптичних приладів є водонепроникний фотометр «Testo 220 (221)»; портативні спеціалізовані колориметри «Наппа»; КФК—3; аналізатор « Фл юорат—В9ЖХ ».

За допомогою портативного фотометра «Testo 220 (221)» можна виконати оперативні виміри у польових і лабораторних умовах показників водних проб на основі хімічної реакції проби з реагентами і подальшого оптико-електронного аналізу.

Портативні спеціалізовані калориметри «Наппа» дають змогу вимірювати концентрації більше 25 видів йонів у водних розчинах при контролюванні якості води й екологічному моніторингу (наприклад, мг/л): хлор вільний (0,00—2,50); кремній (0,00—2,00); фосфор (0,0—15,0); марганець — високі концентрації (0,0—20,0 мг/л); марганець — низькі концентрації (0,00—200 мкг/л) і т. д.

КФК—3 дає змогу вимірювати коефіцієнти пропускання і оптичної густини прозорих рідких розчинів, швидкості зміни оптичної щільності речовини та концентрації речовин у розчинах.

На аналізаторі «Флюорат—02» виконують оптичний аналіз фенолів, вуглеводнів, формальдегіду, поверхнево-нктивних речовин, важких металів в об'єктах навколишнього середовища, харчовій і сільськогосподарській сиро-піші та продуктах харчування.

На «Флюораткрио—1» визначають концентрації бенз(а)пірену, свинцю, тетраетилсвинцю, на «Флюорат-крио—2» — концентрації свинцю і тетраетилсвинцю.

За допомогою хроматографічної приставки «Флюорат—ВЗЖХ» виконують оптичний аналіз фенолів, вуглеводнів, формальдегіду, поверхнево-активних речовин, важких металів в об'єктах навколишнього середовища, харчовій і сільськогосподарській сировині та продуктах харчування.

Потенціометричне обладнання. Воно характеризу­ється простотою в експлуатації, можливістю виконання замірів безпосередньо у польових умовах та відносною дешевизною. До такого обладнання належать іономіри, рН-метри, йоноселективні електроди, кондуктоміри, оксіміри та ін. Найсучаснішими йономірами є мікропроцесорний йономір И—500.1; мікропроцесорний вимірювач концентрації нітратів «Микон»; мініатюрний нітромір-індикатор.

Мікропроцесорний йономір И—500.1 визначає рН, Eh водних розчинів, концентрацію (активність) йонів: Ag²⁺, СГ, Г, (Са²⁺ + Mg²⁺), K⁺, Na⁺, NO*^- і т. д. Йономір працює з багатьма йоноселективними електродами російського і закордонного виробництва, автоматично обробляє результати вимірів та індикацію в одиницях мВ, рХ, Моль/л, мг/л. Прилад можна підключати до ПЕОМ через порт RS 232 для спостереження на екрані комп'ютера за зміна­ми показників розчину та тривалого зберігання в його пам'яті інформації.

Мікропроцесорний вимірювач концентрації нітратів «Микон» виконує експрес-аналіз сільськогосподарської продукції, ґрунтів, продуктів харчування, природних і стічних вод на вміст нітратів. Вимірювальні концентрації знаходяться в межах від 6 до 9999 мг/кг, максимальна похибка виміру сягає ±15%, час одного виміру — 30 с.

Мініатюрний нітромір-індикатор виконує експрес-аналізи водних розчинів при визначенні кислотності, концентрації солей і вмісту нітратів у харчовій промисловості, екологічному моніторингу та сільськогосподарському виробництві. Процес виміру полягає у знятті захисного ковпачка з приладу, включенні і зануренні у досліджуваний розчин. Покази знімають через 5—6 с після занурення. Калібровка приладу обмежується зануренням його у розчин з нідомою концентрацією нітратів і встановленням відповідних показів за допомогою викрутки в отворі корпусу.

Натепер використовують багато розробок рН-метрів: «Ріссоїіо»; «Checker»; мініатюрний рН-метр тестер; НІ 8314; НІ 9024 (9025) — портативні; НІ 9317 (931400) — стаціонарні та ін.

Мініатюрний рН-метр тестер призначений для експрес-аналізів водних розчинів при визначенні кислотності, концентрації солей і вмісту нітратів, застосовується у харчовій промисловості, сільськогосподарському виробництві при екологічному моніторингу. Процес виміру величини рН полягає у зніманні захисного ковпачка з приладу, його включенні і зануренні у досліджуваний розчин. Значення змінюється через 5—6 с після занурення. Калібровка приладу обмежується зануренням його у стандартний розчин з рН 6,86 та встановленням відповідних показів. Діапазон вимірів приладу — (0,0-kL4,0) рН, максимальна похибка — 0,2 рН.

До портативних рН-метрів належать: НІ 8314, НІ 9024, НІ 9025, НІ 9224, НІ 92240. Мікропроцесорні рН-метри НІ 9024 і НІ 9025 вміщують у водонепроникні корпуси з вмонтованим захистом від електромагнітного поля, що забезпечує стабільну роботу в екстремальних умовах. НІ 9024 вимірює рН і температуру в діапазоні (0-^14,0) рН і (0-^100,0) градусів за Цельсієм. НІ 9025 працює також у режимі мВ і в комплекті з відповідним електродом може виміряти Red/Ox — потенціал і концентрації іонів. Подвійний дисплей одночасно відображає величину рН (або мВ) і температуру зразка. У пам'яті приладів зберігаються значення рН п'яти буферних розчинів (4,0; 6,86; 7,01; 9,18; 10,01 рН), калібровка проводиться за одним або двома з них.

НІ 9017 — стаціонарний мікропроцесорний прилад, який вимірює рН, мВ (з йоноселективними і Red/Ox-електродами) і температуру з високою точністю. Вмонтований дзвінок сигналізує про досягнення заданої точки або про вихід за межі допустимого діапазону. Влаштований RS 232-порт дає змогу підключити прилад до ПЕОМ IBM PC і обробляти за його допомогою результати вимірів. Прилад зберігає в пам'яті значення рН трьох буферних розчинів для швидкості автоматичної калібровки та 6 програм вимірів. Автоматична термокомпенсація забезпечує точність і відновлення вимірів.

Якість чистої, дистильованої або дейонізованої води визначають за допомогою кондуктомірів: PWT, UPW, DIST. Прилад DIST випускається у десяти модифікаціях, а його моделі WP1, WP4, 2 Plus і 4 Plus виконані у водо­непроникних корпусах для застосування у польових умовах з підвищеною вологістю.

До оксімірів належать «ORP», НІ 9142, НІ 9145 та ін. «ORP» є унікальним малогабаритним приладом вимірювання окисно-відновлювального потенціалу у промислових стічних водах (концентрації хрому і ціаніду), рибогосподарських підприємствах та акваріумах (якість води), в басейнах (дезінфекція) має такі характеристики: робочий діапазон температур 0-^50°С; безперервна робота батарейок — 1000 год., вага — 65 г.

НІ 9142 — водонепроникний портативний оксімір, призначений для вимірювання розчиненого кисню в процесах біологічної обробки води, не потребує застосування хімічних реактивів.

Розвиток науки і науково-технічного прогресу ініціює створення нових засобів вимірювальної техніки. Засоби вимірювальної техніки для вимірювання рівнів радіації У зв'язку з розвитком атомної енергетики у світі, а в Україні зокрема, необхідний постійний радіаційний моніторинг довкілля. З цією метою розробляють і вдосконалю­ють уже діючі ЗВТ: альфа-бета-гамма-нейтронний радіо-метр-дозиметр ДКС-96; портативні спектрометри «Прогрес-Спектр»; влаштування малого фону УМФ—2000, спектрометр енергії гамма-випромінювання — сцінтіля-ційний «СЕГ—001 м», «АКП—С», «Лісовик» таін.

Альфа-бета-гамма-нейтронний радіометр-дозиметр призначений для вимірювання дози і потужності еквівалентної дози рентгенівського і гамма-випромінювання у скв; вимірювання дози і потужності еквівалентної дози нейтронного випромінювання п; вимірювання щільності потоку альфа-випромінювання а; вимірювання щільності потоку бета-випромінювання fi та ін. Діапазон вимірювання потужності еквівалентної дози гамма-випромінювання становить 0,1-^1 10⁶ мкЗв/год.; еквівалентної дози гамма-мипромінювання — 1-ь1 • 10⁶ мкЗв/год. і т. д.

Портативні спектрометри «Прогрес-Спектр» належать до нового покоління приладів, характерною властивістю яких є використання мікропроцесорної техніки для управління апаратурою і обробки спектра; автоматизація процесів вимірів і обробки спектра; автоматичний контроль за достовірністю результатів; можливість використання як в лабораторних, так і в польових умовах; можливість підключення до ПЕОМ.

Гамма-спектрометр сцінтіляційний «Спектр-гамма» дає змогу визначити вміст гамма-випромінюючих радіонуклідів у продуктах харчування, зразках ґрунту, буді-нельних матеріалах, лісоматеріалах та в інших об'єктах навколишнього середовища.

Бета-спектрометр сцінтіляційний «Спектр-бета» призначений для вимірювання вмісту стронцію-90 у продуктах харчування та інших пробах органічного походження.

За допомогою альфа-радіометра сцінтіляційного «Спектр-альфа» з'ясовують сумарну альфа-активність у пробах ґрунту, води і т. д. шляхом вимірювання певних зразків, підготовлених випарюванням, спалюванням, кон­центруванням.

Влаштування малого фону УМФ—2000 використовується для вимірювання сумарної альфа-бета-активності природної і питної води, а також сумарної активності бета-випромінюючих і сумарної активності альфа-випромінюючих нуклідів у пробах, отриманих після радіохімічної екстракції або концентрування.

Спектрометр енергії гамма-випромінювання сцінтіля­ційний «СЕГ—001 м», «АКП—С», «Лісовик» призначений для проведення експрес-контролю вмісту радіонуклідів в грибах, ягодах, фруктах, овочах та інших харчових продуктах, оскільки радіонукліди через трофічні ланцю­ги живлення з ґрунту переходять у рослини, з них — до тварини (або при споживанні рослинницької продукції до людей), з тваринницькою продукцією — до людей. Час контролю в секундах для грибів і ягід становить від 50 до 20; м'яса, риби — 10—140; молока — 25—100; фруктів — 35—370; картоплі — 45—460. Прилад має модифікації з електронними вагами і вмонтованим принтером — «СЕГ—001 м», «АКП—С» та внесений у реєстри ЗВТ України, Російської Федерації, Білорусі [4].

ВИСНОВКИ

• Метрологічне забезпечення контролювання забруднення атмосфери передбачає відбір проб, забезпечення атестованими методиками вимірювань, засобами вимірювальної техніки;

• метрологічне забезпечення контролювання якості води передбачає вирішення таких завдань: визначення необхідного ступеня очистки стічних вод; прогнозування якості води на перспективу; забезпечення робіт необхідною вимірювальною, лабораторною, нормативною базою; встановлення у певному створі необхідного ступеня очистки та ін.;

• якщо порівнювати забезпеченість приладами та апаратами, на 1му місці, безперечно, знаходиться повітряне середовище, на 2му – водне, на 3му ж – ґрунтове;

• велику увагу також приділяють засобам вимірювальної техніки, призначені для вимірювання вмісту важких металів і радіонуклідів, що охоплює контроль не тільки трьох компонентів НПС, що розглядались нами раніше (повітряне, водне, ґрунтове середовища), а і продукції рослинництва та тваринництва.

• апаратне та приладне забезпечення найбільш розвинуте саме для контролю вмісту важких металів та радіонуклідів у повітряному середовищі та продуктах харчування;

• наразі, прилади модернізують