Мониторинг загрязнения окружающей среды: анализ содержания примесей снежного покрова магистралей г. Тольятти

Цель работы: провести отбор проб снега на основных перекрестках г. Тольятти; гравиметрическим методом определить содержание примесей (мг/г); проанализировать состояние снега по органолептическим показателям (цвет, цветность, мутность, запах); провести качественное определение наличия в пробе ионов свинца, железа, сульфат-анионов; провести сравнение содержания примесей в снежном покрове на перекрестках г. Тольятти и в зонах отдыха; сделать вывод о степени загрязненности снежного покрова от автотранспортных средств.

Материалы и оборудование: Весы (технохимические) аналитические, емкости для проб снега (15 шт.), пробирки, чашки для выпаривания, шкала цветности, спиртовка, держатель, универсальная индикаторная бумага, электроплитка, фильтры бумажные, колбы плоскодонные, стеклянные палочки, раствор AgNO₃ (1 %), раствор BaCl₂ (5 %), раствор Na₂S (1 %), раствор KSCN (1%), раствор HCl (1:5), персульфат калия (крист.).

Краткая теория

Оценка состояния окружающей среды по степени загрязнения снежного покрова является распро­страненным приемом проведения мониторинга. Подобные исследования не требуют дорогостоящего обо­рудования и позволяют проводить экспресс-анализ загрязнений. Поэтому во многих странах мира, на­пример в Финляндии, этот метод широко распространен и позволяет получать характеристики экологиче­ской обстановки на значительных территориях.

Проблема чистоты атмосферы не нова. Она возникла вместе с появлением промышленности и транспорта, работающих на угле, а затем на продуктах переработки нефти. Быстрый и повсеместный рост промышленности и транспорта в XX столетии привел к резкому росту объемов и токсичности вы­бросов, которые уже не могут быть «растворены» в атмосфере до безвредных для природной среды и человека концентраций.

Загрязнение атмосферы имеет естественное и искусственное происхождение (рис. 1).

Среди естественных факторов выделяются:

1. внеземное загрязнение воздуха космической пылью и космическим излучением;

1. земное загрязнение атмосферы при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, возникающих от ударов молний, выносе морских солей.

Условно разделяют естественное загрязнение атмосферы на континентальное и морское; органиче­ское и неорганическое. К органическим относят аэро-планктон-бактерии, в том числе болезнетворные, споры грибов, пыльцу растений (включая ядовитую пыльцу амброзии) и т.п.

На долю естественных факторов в конце XX в. приходилось 75 % общего загрязнения атмосферы, остальные 25 % – результат антропогенной деятельности.

Искусственное загрязнение атмосферы разделяют на радиоактивное, электромагнитное, шумовое, дисперсное и газообразное, а также по отраслям промышленности и видам технологических процессов. Главными и наиболее опасными источниками загрязнений являются промышленные, транспортные и бытовые выбросы. По особенностям строения и характеру влияния на атмосферу загрязнители подразделяют на меха­нические и химические.

Рис. 1. Источники загрязнения воздуха

Основными химическими выбросами антропогенного происхождения являются оксиды углерода (СО и СО₂), диоксид серы SO₂, метан СН₄, оксиды азота (NO, NO₂). При использовании фреонов в ат­мосферу поступают хлорфторуглеводороды (ХФУ), а в результате работы транспорта – углеводороды (самый токсичный бенз(а)пирен и его производные). В табл. 1 представлены данные по основным за­грязнителям атмосферного воздуха в России.

Среди загрязнителей воздуха особую группу образуют вещества, обладающие канцерогенной актив­ностью. Это в первую очередь бенз(а)пирен и его производные, другие ароматические углеводороды, по­ступающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.

Неблагоприятное воздействие на организм человека оказывают и соединения свинца, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей. Присутствие таких соединений в крови человека возрастает с увеличе­нием его содержания в воздухе, что приводит к снижению активностей ферментов, к нарушению об­менных процессов.

Проблема загрязнения окружающей среды характерна и для Самарской области. По данным Гос­комстата общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по Самарской области в 2003 г. составил 193,28 тыс. т в год (в 2002 г. – 191,71 тыс. т), в том числе от стационарных источников – 25,639 тыс. т (в 2002 г. – 24,069 тыс. т), от передвижных источников (автотранспорта) – 167,641 тыс. т (в 2002 г. – 167,641 тыс. т). Выбросы в атмосферу от автотранспорта составили – 86,7 % от общего объема вы­бросов в атмосферу (в 2002 г. – 87,4 %).

Таблица 1

Основные загрязнители атмосферы

Загрязнители	Основные искусственные источники	Среднегодовая концентрация в воздухе мг/м3	Воздействие на окружающую среду и здоровье человека
Твердые частицы (пыль, зола и т.п.)	Сжигание топлива (около 2,4·108 т)	0,04…0,4	Снижение солнечного освещения и видимости, увеличение облачности, туманности. Разрушение и загрязнение материков. Возможное снижение температуры земли в результате длительного воздействия
Сернистый ангидрид SO2	Сжигание топлива (около 1,5…1,75·108 т)	0,5…0,1	Хроническое поражение растений, снижение урожайности, уничтожение лесов, заболевания дыхательных путей
Оксиды азота NOх	Окисление атмосферного азота и топлива при высокой температуре (около 5,5·107 т)	0,05…0,2	Поглощение солнечного света, образование фотохимического смога, «кислотных дождей». Разрушение материалов, снижение урожайности, уничтожение лесов, уменьшение содержания гемоглобина в крови
Оксид углерода СО	Неполное сгорание топлива около 2,5 –3,5·108 т)	1…50	Уменьшение содержания гемоглобина в крови
Летучие углеводороды и их продукты	Неполное сгорание топлива около 8·107 т)	до 3	Поражение растений при концентрации выше 0,02 мг/м3, раздражающее действие на глаза

Ход работы:

Отбор проб

На оживленных перекрестках автомобильных магистралей г. Тольяттиотберите пробы снега на выбранных площадках размером не менее 1 м². Общая масса образца должна составлять 600...800 г. Про­бы пронумеруйте, поместите в тару с пробками. Полученные данные отбора проб оформите в виде таблицы 2:

Таблица 2

№ пробы	Время	Место (перекрестки улиц)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Опыт № 1. Общее содержание примесей

В предварительно взвешенную чашечку для выпаривания (m₁) поместите часть пробы и взвесьте чашечку с пробой (m₂). Чашечку нагрейте на плитке до полного испарения воды и достижения постоян­ной массы, после охлаждения до комнатной температуры (m₃).

Рассчитайте по формуле (1.1) содержание примесей:

где m₁ – масса чашечки для выпаривания, т₂ – масса чашечки с пробой, m₃- масса чашечки с пробой после удаления воды.

Полученные данные оформите в виде табл. 3.

Таблица 3

№ пробы	m1, г	т2, г	m3, г	ω, %	Примечание
1
15

Небольшое количество пробы (около 200 г) оставьте при комнатной температуре для полного расплавления снега. Полученную жидкость проанализируйте (определите цветность, мутность, запах, рН, содержание свинца, железа, сульфатов, хлоридов).

Опыт № 2. Определение рН с помощью универсального индикатора

Полоску индикаторной бумаги поместите в пробирку, содержащую примерно 5 см³ исследуемой талой воды. Окраску индикаторной бумаги сравните со шкалой.

Опыт № 3. Цветность

В колбу поместите 5 см³ исследуемой пробы и, просматривая сверху, на белом фоне при достаточ­ном боковом освещении (дневном, искусственном), сравните со шкалой цветности.

Для приготовления шкалы смешайте растворы № 1 и № 2 в следующих соотношениях (табл. 4):

Таблица 4

Хромово-кобальтовая шкала цветности

Раствор № 1. 0,0875 г бихромата калия, 2 г сульфата кобальта и 1 см³ серной кислоты (плотность 1,84 г/см ) и довести объем до 1 дм (соответствует цветности 500°).

Раствор № 2: 1 см концентрированной серной кислоты (плотность 1,84 г/см) и довести в мерной колбе дистиллированной водой до объема 1 дм³.

Опыт № 4. Мутность

В пробирку поместите 10 см исследуемой воды. Определите мутность воды, рассматривая пробир­ку сверху на белом и, соответственно, темном фоне при достаточном боковом освещении (дневном, ис­кусственном).

Мутность: слабо опалесцирующая, опалесцирующая, слабо мутная, мутная, очень мутная.

Опыт № 5. Запах

Заполните колбу исследуемой водой на 1/3 объема и закройте пробкой. Взболтайте содержимое колбы. Откройте колбу и осторожно, неглубоко вдыхая воздух, сразу же определите характер запаха. Если запах сразу не ощущается, испытание можно повторить, нагрев воду в колбе до температуры 60 °С.

Интенсивность запаха определяйте по 5-бальной шкале:

0 – не ощущается; 1 – обнаруживается только опытным исследователем; 2 – слабый, обнаруживает­ся только в том случае, если обратить на него внимание; 3 – заметный, обнаруживается потребителем и вызывает неодобрительные отзывы; 4 – отчетливый, обращающий на себя внимание и делающий воду непригодной для питья; 5 – очень сильный, делающий воду совершенно непригодной. Естественные запахи описывают, придерживаясь следующей терминологии (табл. 5):

Таблица 5

Естественные запахи

Символ	Характер запаха	Символ	Характер запаха
А	Ароматный	П	Плесневый
Б	Болотный	Р	Рыбный
Г	Гнилостный	С	Сероводородный
Д	Древесный	Т	Травянистый
З	Землистый	Н	Неопределенный

Опыт № 6. Качественное определение содержания хлоридов с приближенной количественной оценкой

Метод основан на осаждении хлорида серебра:

В пробирку поместите 5 см³ исследуемой воды, если проба мутная, ее следует отфильтровать. В пробирку с пробой (или фильтратом) добавьте 3 капли раствора нитрата серебра. Используя табл. 6, определите приближенное содержание хлорид-анионов.

Таблица 6

Осадок или муть	Концентрация Сl- ,мг/дм
Опалесценция или слабая муть	1...10
Сильная муть	10...50
Образуются хлопья, но осаживаются не сразу	50...100
Белый объемистый осадок	Более 100

Опыт № 7. Определение катионов свинца

Метод основан на осаждении сульфида свинца:

В пробирку поместите 5 см³ исследуемой воды, если проба мутная, ее следует отфильтровать. Добавьте 1 см³ соляной кислоты (1:5) и 3 капли раствора сульфида натрия. Выпадение черного осадка свидетельствует о наличии в пробе солей свинца.

Опыт № 8. Определение содержания сульфатов-анионов

Метод основан на осаждении сульфата бария:

В пробирку внесите 10 см³ исследуемой воды, если проба мутная, ее следует отфильтровать. Доба­вить 5 см³ соляной кислоты (1:5) и 2 см³ раствора хлорида бария, полученный раствор перемешать.

Приблизительное содержание сульфатов определить по аналитическому эффекту, используя дан­ные табл. 7.

Таблица 7

Характер осадка	Концентрация SO42-, мг/дм
Отсутствие осадка	<5
Слабая муть, проявляющаяся через несколько мин	5-10
Слабая муть, проявляющаяся сразу после добавления хлорида ба­рия	10-100
Сильная муть, быстро осаждающаяся	>100

Опыт № 9. Определение содержания катионов железа

Метод основан на образовании роданида железа по уравнению:

В пробирку налейте приблизительно 10 см³ исследуемой воды, если проба мутная, ее следует от­фильтровать. Добавьте 2-4 капли НС1, несколько кристаллов персульфата калия и 4 – 5 капель раство­ра KSCN. После внесения каждого реактива содержимое пробирки тщательно перемешайте.

Приближенное содержание солей железа определите в соответствии с табл. 8.

Таблица 8

Окрашивание при рассмотрении сбоку	Окрашивание при рассмотрении сверху вниз	Содержание железа, мг/дм
Окрашивания нет	Окрашивания нет	<0,05
Едва заметное желтовато-розовое	Очень слабое желтовато-розовое	0,10
Очень слабое желтовато-розовое	Слабое желтовато-розовое	0,25
Слабое желтовато-розовое	Светло-желтовато-розовое	0,50
Светло-желтовато-розовое	Желтовато-розовое	1,00
Сильное желтовато-розовое	Желтовато-красное	2,00
Светло-желтовато-красное	Ярко-красное	>2,00

Полученные экспериментальные данные по анализу образца снега оформите в виде табл. 9.

Таблица 9

№ пробы	Цветность	Мутность	pH	Запах	Хлориды, мг/дм3	Сульфаты, мг/дм3	Содержание железа, мг/дм3	Наличие со­лей свинца
1
15

Выводы

Образец вывода: Проведен отбор проб снега на 15 перекрестках основных транспортных магистралей г. Тольятти. Проанализированы пробы по органолептическим показателям (цветность, мутность, запах, рН-среды). К числу самых загрязненных участков следует отнести ______________________. Большинство проб имеет запах или бензина или машинных масел, исключение: участки __________________. Практически во всех пробах присутствуют в количестве от хлорид-анионы (концентрация) и сульфат-анионы, максимальное содержание на участках _________________-; минимальное содержание на участках ________. Количественное определение содержания железа показало, что максимальное количество солей железа содержится на участке________________.

Во всех пробах (кроме ) отмечено содержание солей свинца, что подтверждает вывод о наибольшей загрязненности солями тяжелых металлов придорожных территорий. Гравиметрическим методом определено количественное содержание примесей: в меньшей степени загрязнены пробы (данные), в наибольшей - .

В результате проведенных опытов было выявлено, что самыми загрязненными участками г. Тольятти являются ________. Наиболее благоприятными по экологической обстановке являются районы ___________.

Лабораторная работа № 20