УДК 543.26
Исследование физико-химических параметров
снеговых осадков г.Архангельска
Чагина Н.Б., Пилюгина М.В.
Городская среда обитания – это особая экосистема, поскольку именно здесь антропогенное воздействие присутствует в наиболее концентрированном виде, что приводит к значительному загрязнению природной среды в целом и атмосферы в частности. Попадая в атмосферу,
техногенные поллютанты в виде газов и аэрозольных частиц с воздушными потоками распространяются на значительные расстояния, воздействуя на все объекты окружающей среды, в том числе и на человека. Атмосферные осадки, являясь производными воздушных масс, могут быть использованы в качестве индикатора загрязнения атмосферы. На базе кафедры химии естественно-географического факультета ПГУ в рамках подготовки специалистов–химиков экологического профиля проводятся работы по определению содержания техногенных загрязнителей в снеговых осадках г.Архангельска.
В условиях динамичной урбанизации сохранение экологического равновесия весьма проблематично, особенно когда речь идёт о мегаполисе, со всеми присущими ему проблемами и противоречиями. В этих условиях практически невозможно поддержание такого состояния природной среды, при которой обеспечивается её саморегуляция. Химический состав атмосферных осадков отражает химический состав атмосферы, включающий как естественные, так и загрязняющие компоненты, и может быть использован в качестве индикатора качества воздушной среды. К загрязняющим веществам относятся вещества в концентрациях превышающие нормативы качества или уровня естественного содержания, а так же привнесенные в результате деятельности человека 9 . В настоящее время спектр загрязняющих
компонентов в атмосфере городов очень широк. Он определяется спецификой промышленных предприятий, сельского хозяйства, климатических условий. Но наиболее значимая доля загрязнений поступает в атмосферу в результате сжигания различных видов топлива, увеличивая содержание таких компонентов как сульфаты, нитраты, хлориды, сажа и т.д. 1,2,12,15-18 .
Областной центр в этом смысле не является исключением. Основные источники загрязнения в г.Архангельске – это предприятия теплоэнергетики,
использующие уголь Печорского, Кузнецкого бассейнов (содержание серы составляет 4% и 0,3% соответственно) и топочный мазут (содержание серы 0,5-
3,5% ГОСТ 10585-99); автотранспорт (содержание серы в бензинах не более
0,05% ГОСТ Р51105-97, в дизельном топливе не более 0,2% ГОСТ 305-82);
предприятия АЦБК и СЦБК, содержащие в выбросах оксиды серы и меркаптаны; городские свалки; пожары 8,15 .
При сжигании угля и нефтепродуктов сера, содержащаяся в них,
окисляется. При этом образуется 2 соединения: SO2 и SO3. В процессе горения топлива до SO3 окисляется менее 3% серы. Оставшаяся часть превращается в
SO2 - первичную форму, в которой сера поступает в атмосферу. Здесь SO2
постепенно окисляется кислородом воздуха до SO3. В образовании серной кислоты из оксида серы в атмосфере участвуют радикалы •ОН, образующиеся в атмосфере за счёт фотолиза озона в ультрафиолетовых лучах в присутствии паров воды:
•OH + SO2→ HSO3•
HSO3• + O2 → SO3 + HO2• (1)
SO3 + H2O → H2SO4
Другой механизм образования серной кислоты и сульфатов связан с окислением оксида серы в облачных каплях, протекающий также за счёт радикалов •ОН. В этом случае в процессе участвуют молекулярные ион-
радикалы SO3‾• и гидросульфит-ион НSO3‾, а окислителем выступает кислород. Процесс носит цепной характер, особенно в урбанизированных районах, где концентрация SO2 велика:
OH• + HSO3‾ → H2O + SO3‾• |
|
SO3‾• + O2 → SO5‾• |
(2) |
SO5‾• + HSO3‾ → HSO5‾ + SO3‾•
Большая часть SO2 преобразуется в сульфаты и серную кислоту в течение нескольких дней после выброса в атмосферу и переносятся на большие расстояния, поэтому загрязнение, вызванное серосодержащими веществами,
охватывает большие территории [1,2,17].
Помимо оксидов серы, поступающих в тропосферу в результате сжигания
топлива, серосодержащие вещества образуются в результате жизнедеятельности микроорганизмов, продуцирующих в первую очередь,
меркаптаны, сульфиды, ди- и полисульфиды. В результате последовательного окисления этих соединений посредством кислорода и гидроксильных радикалов также образуются серная кислота и сульфаты [7]:
CH3SCH3 +HO• → CH3SCH2• +H2O |
|
СH3SCH2•→ CH3SCH2OO• → CH3SCH2O• → CH2=O + CH3S• |
(3) |
CH3S• + O2 → CH3SOO• → CH3• + SO2
CH3SOO• + NO → CH3SO• + NO2
CH3SO• → CH3• + SO
SO + O3 → SO2 + O2
Скорость образования сульфатов увеличивается в случае присутствия в атмосфере частиц сажи. Оксиды серы сорбируются на твердых частицах с последующим превращениям в сульфаты. Процесс сорбции включает быструю стадию адсорбции оксида серы IV на твердой поверхности и медленную
стадию диффузии в глубь частицы. Превращению в сульфаты способствуют примеси металлов, степень увлажнения твердых частиц 2 .
Антропогенными источниками хлоридов, за исключением некоторых производств, преимущественно являются процесс сжигания каменного угля,
сельскохозяйственная деятельность, а так же применение эксплуатационными службами города в зимнее время на дорогах технической соли и других хлорсодержащих реагентов. Аэрозоль водно-солевой смеси разносится ветром от транспортных магистралей на прилегающие территории 1,18 . Источниками соединений азота в атмосфере являются процессы денитрификации в почве,
лесные пожары, грозовые разряды, при которых образуется монооксид NO,
окисляющийся затем в диоксид NO2, сжигание топлива. Количество образовавшегося NOx в техногенных выбросах зависит не только от содержания примесей в топливе, но и от температуры в зоне сжигания. При сжигании одного и того же количества топлива на теплоэлектростанциях и в печах индивидуального отопления в первом случае вследствие более высокой температуры образуется NOx значительно больше. Образовавшиеся оксиды азота, растворяясь в атмосферной влаге, образуют азотную и азотистую кислоты 1,2 . Таким образом, поступающие в атмосферу тем или иным путем сульфаты, хлориды, нитраты, тв. частицы и другие примеси с осадками выпадают на подстилающую поверхность 17 .
Для исследования физико-химического состава атмосферных осадков выбран период с ноября по март месяц, поскольку выделение антропогенных аэрозолей над городами и густонаселенными районами максимально в отопительный сезон. Кроме того, происходит интенсивное формирование снежного покрова, что облегчает первичный отбор проб 12,17 . Пробы отбирали один раз в неделю методом конверта в шести точках города Архангельска при температуре ниже нуля в дневное время, таким образом,
чтобы объём одной пробы был не менее 2,5 литров талой воды 4 . Точки отбора выбирали как вблизи транспортных магистралей, так и в отдалении (1 –
парк ПГУ, 2 – перекрёсток улиц Урицкого и Набережной Северной Двины, 3 –
перекрёсток улицы Шубина и проспекта Троицкий, 4 – перекрёсток улиц Урицкого и проспекта Ленинградский, 5 – перекрёсток улиц Свободы и Набережной Северной Двины, 6 – перекрёсток улиц Садовая и проспекта Троицкий). Каждый керн снега вырезали на глубину снежного покрова, избегая захвата частиц грунта и растительный включений, уплотняли и ссыпали в полиэтиленовые пакеты. До проведения химического анализа пакеты хранили на холоду не допуская таяния снега. Полученные данные усредняли за месяц4,14 .
Химические исследования проводились на кафедре химии ПГУ им.М.В.Ломоносова в течение всего периода отбора проб. В ходе анализов определяли как параметры, характеризующие снеговые выпадения в комплексе
(удельная электропроводность, рН, общие кислотность и щелочность,
жесткость, окисляемость), так и частные характеристики (содержание сульфат-,
хлорид-, нитратионов, количество взвешенных частиц).
Определение удельной электропроводности проводили кондуктометрическим методом на кондуктометре «Анион – 7020» в диапазоне
2 –500 мкСм/см с относительной погрешностью, не превышающей ± 10%.
Величина удельной электропроводности служит показателем суммарной концентрации электролитов и используется в программах наблюдений для оценки состояния атмосферных осадков. Она определяется наличием ионов К+, Na+, Ca2+, Cl-, SO42-, HCO3 – , NO3-[14]. Метод определения общей щёлочности,
обусловленный наличием свободных гидроксид-ионов, а также солей,
гидролизующихся по аниону, основан на прямом титровании пробы осадков рабочим раствором 0,01М соляной кислоты. Прямым титрованием пробы осадков в присутствии эриохрома чёрного 0,01М рабочим раствором трилона Б определяли общую жёсткость, которая характеризуется наличием ионов Ca2+ и
Mg2+. Метод определения рН на иономере марки И-160М основан на измерении разности потенциалов, возникающий на границах между внешней поверхностью стеклянной мембраны электрода и исследуемым раствором относительно хлорид-
серебряного электрода сравнения. Методика предназначена для определения